DE2150695B2 - PROCESS FOR THE INSULATED CONSTRUCTION OF SEMICONDUCTOR ELEMENTS, PRINTED AND / OR MONOLITHIC AND / OR HYBRID INTEGRATED CIRCUITS - Google Patents
PROCESS FOR THE INSULATED CONSTRUCTION OF SEMICONDUCTOR ELEMENTS, PRINTED AND / OR MONOLITHIC AND / OR HYBRID INTEGRATED CIRCUITSInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum isolierten Aufbau von Halbleiterelementen, gedruckten und/oder monolithisch und/oder hybrid integrierten Schaltungen auf einem metallischen, als Träger dienenden Körper mittels einer isolierenden Zwischenschicht.The invention relates to a method for the isolated construction of semiconductor elements, printed and / or monolithic and / or hybrid integrated circuits on a metallic body serving as a carrier by means of an insulating intermediate layer.
Plättchen aus Halbleiterkristallen können je nach dem Herstellungsverfahren die verschiedenartigsten Bauelemente bilden, wie beispielsweise Dioden, Transistoren, Thyristoren; sie können aber auch ganze Schaltungen oder Teile daraus enthalten. Die in den Plättchen umgesetzte Verlustwärme muß nach außen abgeführt werden. Die Plättchen sind deshalb meist auf den Boden eines Metallgehäuses aufgelötet oder auflegiert Die aufgelötete Seite des Halbleiterkristalls, das Substrat, stellt normalerweise eine Elektrode, die Substratelektrode, des Halbleitersystems dar. Enthält eine Schaltung mehrere Halbleiterbauelemente, so können deren Substratelektroden auf unterschiedlichen Potentialen liegen. Sollen sie sich auf einem gemeinsamen metallischen Körper befinden, so müssen die Substrate gegeneinander isoliert werden. Bei einzelverpackten Bauelementen geschieht dies durch Einbringen dünner Plättchen aus Isoliermaterial, wie beispielsweise Glimmer oder Teflon, zwischen den Gehäuseboden und den gemeinsamen metallischen Körper. Es sind aber auch einzelverpackte Bauelemente, wie beispielsweise Hochfrequenztransistoren, bekannt, bei denen zwischen den Kristall und das Metallgehäuse eine isolierende Scheibe aus keramischem Material eingebracht ist Auch ist es bekannt, Anordnungen, die zwei oder mehr Halbleiterkristalle enthalten, auf keramischen Plättchen aufzubauen. Besteht diese Keramik aus billigem Material, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, so läßt sich wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit dieses Materials nur eine geringe Verlustleistung abführen. Größere Verlustleistungen, vor al!em at«r hohe Verlüstleistungsdichten, wie sie besonders bei Leistungshalbleitern und monolithisch integrierten Schaltungen vorkommen, lassen sich aber nur mit keramischen Plättchen aus einem Material hoher Wärmeleitfä-Platelets made from semiconductor crystals can be of the most varied types, depending on the manufacturing process Form components such as diodes, transistors, thyristors; but they can also be whole Contain circuits or parts thereof. The dissipated heat converted in the platelets must go to the outside be discharged. The platelets are therefore usually soldered or soldered to the bottom of a metal housing Alloyed The soldered-on side of the semiconductor crystal, the substrate, normally represents an electrode that Substrate electrode, of the semiconductor system. If a circuit contains several semiconductor components, see above their substrate electrodes can be at different potentials. If they are to be located on a common metallic body, the Substrates are isolated from each other. In the case of individually packaged components, this is done by bringing them in thin plates made of insulating material, such as mica or Teflon, between the housing base and the common metallic body. But there are also individually packaged components, such as High-frequency transistors, known, in which between the crystal and the metal housing an insulating Disc of ceramic material is introduced. Also, it is known arrangements that have two or more Semiconductor crystals contain build up on ceramic platelets. Is this ceramic made of cheap Material, such as aluminum oxide, can be used because of its low thermal conductivity Materials only dissipate a small amount of power loss. Larger power losses, especially at «r high Loss power densities, as they occur particularly in power semiconductors and monolithically integrated circuits, can only be achieved with ceramic plates made of a material with high thermal conductivity.
higkeit, wie beispielsweise aus dem sehr teueren Berylliumoxyd, erreichen.ability, for example from the very expensive beryllium oxide.
Aus der US-PS 34 71 752 ist es bereits bekannt, einen Isolierkörper aus Berylliumoxyd zwischen der Kollektorzone eines Transistors und einem wärmeableitenden Teil eines Gehäuses anzuordnen. Ferner ist es aus dieser Patentschrift bekannt, zwischen einem Halbleiterelement und einem Träger eine Siliziumscheibe mit einer darauf aufgebrachten isolierenden Schicht aus einer Siliziumverbindung anzuordnen.From US-PS 34 71 752 it is already known a Beryllium oxide insulating body between the collector zone of a transistor and a heat-dissipating one To arrange part of a housing. It is also known from this patent specification between a semiconductor element and a carrier, a silicon wafer with an insulating layer made of a To arrange silicon compound.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln.The invention is based on the object of providing a simplified method of the type mentioned at the beginning to develop.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die isolierende Zwischenschicht aus einem festen, pulver- oder pastenförmigen Material durch einen thermischen Prozeß unmittelbar auf dem metallischen Körper erzeugt wird.According to the invention, this object is achieved by that the insulating intermediate layer made of a solid, powdery or paste-like material by a thermal process is generated directly on the metallic body.
Im Gegensatz zu selbsttragenden keramischen Plättchen oder Scheiben, die aus Festigkeitsgründen meist Dicken von 1 mm und mehr haben müssen, lassen sich auf dem tragfähigen metallischen Körper sehr viel dünnere organische oder anorganische Schichten erzeugen, die beispielsweise bereits bei Dicken von 0,05 mm hinreichend elektrisch isolieren. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Dicke der Isolation somit ungefähr eine Größenordnung und mehr dünner sein als bei den bekannten Verfahren. Damit lassen sich aber noch mit Schichten aus einem sehr viel schlechter wärmeleitenden Material als Berylliumoxyd, wie beispielsweise die Oxyde von Aluminium, Chrom, Magnesium bis hin zum Porzellan oder glasigen oder emailleartigen Schichten hinreichend große Wärmeströme bzw. Wärmestromdichten erzielen. Größte Wärmestromdichten lassen sich auch hier mit Berylliumoxyd erreichen, wobei sich als Vorteil ein außerordentlich geringer Stoffbedarf ergibt.In contrast to self-supporting ceramic plates or discs, which are for reasons of strength usually must have thicknesses of 1 mm and more, a great deal can be achieved on the load-bearing metallic body produce thinner organic or inorganic layers, for example already at thicknesses of Sufficiently isolate 0.05 mm electrically. In the method according to the invention, the thickness of the Insulation can thus be approximately one order of magnitude and more thinner than with the known methods. In order to but can still be achieved with layers made of a material that conducts heat much less than beryllium oxide, such as the oxides of aluminum, chromium, magnesium up to porcelain or glassy or Enamel-like layers achieve sufficiently large heat flows or heat flow densities. Greatest Heat flux densities can also be achieved here with beryllium oxide, with one being an advantage results in extremely low material requirements.
Keramische Schichten können wegen ihres hohen Schmelzpunkts normalerweise nicht auf Metalle aufgeschmolzen werden. Die Erfindung sieht deshalb vor, vorzugsweise Schichten mit einem höheren Schmelzpunkt als dem des Trägermetalls mittels des Plasmaspritzverfahrens aufzutragen, wobei nicht zu beschichtende Flächen durch geeignete Maskiertechniken freigehalten werden. Neben dem direkten Abdecken nicht zu beschichtender Flächen während des Plasmaspritzens durch Masken wird ein indirektes Maskierverfahren vorgeschlagen, das darauf beruht, die nicht zu beschichtenden Flächen mit einer organischen oder anorganischen Substanz, wie beispielsweise mit einem Lack, zu versehen, die während des thermischen Auftrags der isolierenden Zwischenschicht zersetzt wird und so ein Haften der isolierenden Zwischenschicht auf den lackierten Stellen verhindert. Bei einer den thermischen Prozeß überdauernden organischen oder SS anorganischen Substanz kann diese auch anschließend mittels eines Lösungsmittels zusammen mit der nachträglich aufgebrachten isolierenden Zwischenschicht entfernt werden, wobei sich quellende Substanzen besonders eignen.Ceramic layers cannot normally be melted onto metals because of their high melting point will. The invention therefore provides, preferably layers with a higher melting point than that of the carrier metal to be applied by means of the plasma spraying process, whereby not to be coated Areas are kept free by suitable masking techniques. In addition to direct covering Areas not to be coated during plasma spraying using masks is an indirect masking process proposed that is based on the not to be coated surfaces with an organic or inorganic substance, such as with a varnish, to be provided during the thermal Application of the insulating intermediate layer is decomposed and so an adhesion of the insulating intermediate layer on the painted areas prevented. In the case of an organic or SS Inorganic substance can then also be used together with the by means of a solvent subsequently applied insulating intermediate layer can be removed, with swelling substances particularly suitable.
Für glasige und emailleartige Zwischenschichten ist darüber hinaus vorgesehen, diese in pastenförmigem Zustand nur auf die zu isolierenden Teilflächen aufzudrucken, beispielsweise mittels des bekannten Siebdruckverfahrcns. fy For glassy and enamel-like intermediate layers, provision is also made for these to be printed in a paste-like state only on the partial surfaces to be isolated, for example by means of the known screen printing process. fy
Um eine besonders große Beständigkeit der herzu stellenden Anordnungen gegenüber Temperaturwechsel zu erreichen, ist vorgesehen, die Koeffizienten der Wärmeausdehnung von metallischem Körper und isolierender Zwischenschicht einander anzupassen. Hierzu kann es vorteilhaft sein, Mischungen oder Verbindungen verschiedener Oxyde oder auch mehrere Schichten verschiedener Zusammensetzung zu verwenden. Bei glasigen oder emailleartigen Schichten sind viele Paarungen mit gleicher oder ähnlicher Wärmeausdehnung möglich.In order to achieve a particularly high resistance of the arrangements to be produced to temperature changes , provision is made for the coefficients of thermal expansion of the metallic body and the insulating intermediate layer to be adapted to one another. For this purpose, it can be advantageous to use mixtures or compounds of different oxides or even several layers of different compositions. In the case of glassy or enamel-like layers, many pairings with the same or similar thermal expansion are possible.
Auch eine große Haftfestigkeit ist anzustreben. Diese wird in Weiterbildung der Erfindung erhöht durch Aufrauhen mittels Sandstrahlen oder durch Ätzen der zu beschichtenden Oberfläche des metallischen Körpers. Auch eine chemische Veränderung der zu beschichtenden Oberfläche, beispielsweise eine Oxydation, erweist -;ch besonders bei glasigen oder emailleartigen Schichten als vorteilhaftA high level of adhesive strength is also desirable. This is increased in a further development of the invention by roughening by means of sandblasting or by etching the surface of the metallic body to be coated. A chemical change in the surface to be coated, for example an oxidation, also proves - ; especially advantageous for glassy or enamel-like layers
Soll die isolierende Zwischenschicht als Unterlage für einen Halbleiterkristall dienen, so muß ihre freie Oberfläche ganz oder teilweise mit einer lot- oder legierungsfähigen Metallisierung versehen sein. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, diese Metallisierung mittels Metallfarben aufzudnjcken und einzubrennen, wobei als Bestandteile lot- oder legierungsfähiger Metallfarben vorzugsweise Silber, Gold, Platin oder Nickel bzw. die Eutektika von Gold-Germanium und/oder Gold-Silizium dienen. Die Metallisierung läßt sich aber ebenso im Plasmaspritzverfahren auftragen wie im Vakuum aufstäuben oder aufdampfen.If the insulating intermediate layer is to serve as a base for a semiconductor crystal, its free Surface completely or partially provided with a solderable or alloyable metallization. According to the invention it is suggested to print and burn in this metallization by means of metal paints, preferably silver, gold, platinum or metal colors as components of solderable or alloyable metal colors Nickel or the eutectics of gold-germanium and / or gold-silicon are used. The metallization leaves however, they can also be applied in a plasma spraying process, as well as dusting or vapor deposition in a vacuum.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigtThe invention is to be explained in more detail with the aid of the drawing. It shows
F i g. 1 den Metallboden eines modifizierten Transistorgehäuses für den Spannungsregler einer Lichtmaschine, F i g. 1 the metal base of a modified transistor housing for the voltage regulator of an alternator,
Fig.2 den fertig montierten Spannungsregler auf demselben Boden mit einem monolithisch integrierten Schaltkreis, einem Leistungstransistor und einer Freilaufdiode. InFig. 2 the fully assembled voltage regulator the same floor with a monolithic integrated circuit, a power transistor and a freewheeling diode. In
F i g. 3 ist ebenfalls ein Spannungsregler dargestellt der aber anstelle der monolithisch integrierten Schaltung ein Dickschichtnetzwerk enthält, das mittels des Siebdruckverfahrens hergestellt ist, wobei mehrere Halbleiterkomponenten erforderlich sind.F i g. 3 also shows a voltage regulator, but instead of the monolithic integrated circuit contains a thick film network, which is produced by means of the screen printing process, with several Semiconductor components are required.
In F i g. 1 ist mit 1 der metallische Körper des modifizierten Transistorgehäuses bezeichnet Mit. 2, 3 und 4 sind Anschlußstifte bezeichnet. Mit 5 ist eine keramische Zwischenschicht bezeichnet, die beispielsweise im Plasmaspritzverfahren aufgetragen sein kann. Ferner ist eine ebenfalls plasmagespritzte lötfähige Metallisierung 6 vorgesehen, die zur Aufnahme eines Leistungstransistors und einer Freilaufdiode dient Die Metallisierung ist mit etwas kleinerer Fläche ausgeführt, so daß ein in sich geschlossener isolierender Rand stehen bleibt der einen Kurzschluß zwischen Metallisierung und metallischem Körper mit Sicherheit verhindert. Die halbkreisförmige Erweiterung der Metallisierung dient als Anschlußfleck für den BonddrahtIn Fig. 1, 1 denotes the metallic body of the modified transistor housing. 2, 3 and 4 are connector pins. With a ceramic intermediate layer is referred to, for example can be applied by plasma spraying. Furthermore, one that is also plasma-sprayed is solderable Metallization 6 is provided, which is used to accommodate a power transistor and a freewheeling diode Metallization is carried out with a slightly smaller area, so that a self-contained insulating edge stops which reliably prevents a short circuit between the metallization and the metallic body. The semicircular extension of the metallization serves as a connection point for the bonding wire
In Fig. 2 ist der fei tig montierte Spannungsregler dargestellt Mit 7 ist die einseitig mit dem Kollektor des Leistungstransistors 8 verbundene Freilaufdiode und mit 9 die monolithisch integrierte Schaltung bezeichnet Die Positionen 10 bis 15 sind Bonddrähte zum Verbinden der einzelnen Komponenten untereinander und mit den Anschlußstiften 2, 3 und 4. Der Anschlußstift 2 führt zur nicht gezeichneten Erregerwicklung der Lichtmaschine. Er ist ferner über den Bonddraht 10 mit der Metallisierung 6 verbunden. Der Bonddraht U verbindet den Emitter des Transistors 8 mit dem den Minuspol darstellenden metallischenIn Fig. 2, the fei term mounted voltage regulator is shown with 7 is one-sided with the collector of the Power transistor 8 connected freewheeling diode and 9 denotes the monolithic integrated circuit Positions 10 to 15 are bonding wires for connecting the individual components to one another and with the connecting pins 2, 3 and 4. The connecting pin 2 leads to the excitation winding (not shown) the alternator. It is also connected to the metallization 6 via the bonding wire 10. Of the Bond wire U connects the emitter of transistor 8 with the metallic one representing the negative pole
Körper. Der Bonddraht 12 verbindet den anderen Pol der Freilaufdiode mit dem zum Pluspol führenden Anschlußstift 4, an den über den Bonddraht 13 auch der positive Anschluß der monolithisch integrierten Schaltung 9 angeschlossen ist. Der Bonddraht 14 stellt die Verbindung des Ausgangs der monolithisch integrierten Schaltung 9 mit der Basis des Transistors 8 her, und der Bonddraht 15 verbindet einen weiteren Anschlußpunkt der monolithisch integrierten Schaltung 9 mit dem Anschlußstift 3, der den Anschluß äußerer Bauelemente erlaubtBody. The bonding wire 12 connects the other pole of the freewheeling diode with the one leading to the positive pole Terminal pin 4 to which the positive terminal of the monolithic integrated circuit 9 is also connected via the bonding wire 13. The bond wire 14 represents the Connection of the output of the monolithic integrated circuit 9 to the base of the transistor 8, and the Bond wire 15 connects a further connection point of the monolithic integrated circuit 9 with the Terminal pin 3, which allows the connection of external components
Im weiteren Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 dient als metallischer Körper eine auf der Oberseite ganzflächig mit der isolierenden Zwischenschicht beschichtete ebene Metallplatte 16. Die Schichten 26, IS 27,28,29,30 und 31 sind Metallisierungen zum Auflöten von-Komponenten bzw. zum Schaffen von Verbindungen. Die Schichten 21, 22, 23, 24 und 25 sind Dickschichtwiderstände. Die Schichten 21 bis 31 können im Siebdruckverfahren aufgebracht werden. Diese Schichten können aber auch ganz oder teilweise als dünne Schichten im Vakuum aufgebracht werden. Mit 7, 18, 20,32 und 33 sind Halbleiterkomponenten und mit 17 ein Kondensator bezeichnet Von den nach außen führenden Anschlußdrähten geht der Anschlußdraht 4' 2J zum Pluspol, der Anschlußdraht 41' zum Minuspol und der Anschlußdraht 2' wieder zur Erregerwicklung der Lichtmaschine, während die Drähte 34 bis 40 Bonddrähte für innere Verbindungen darstellen. Mit der an den Pluspol angeschlossenen Metallisierung 27 sind einseitig die Widerstände 21 und 25, sowie über den Bonddraht 39 der eine Pol der Freilaufdiode 7 verbunden, die mit ihrem anderen Pol auf die Metallisierung 26 aufgelötet ist Auf die Metallisierung 26 ist auch mit seinem Kollektor der monolithische Leistungsverstärker 18 inIn the further exemplary embodiment according to FIG. 3, a flat metal plate 16 coated over the entire surface with the insulating intermediate layer serves as the metallic body. Layers 26, IS 27, 28, 29, 30 and 31 are metallizations for soldering on components or for creating connections. Layers 21, 22, 23, 24 and 25 are thick film resistors. The layers 21 to 31 can be applied by screen printing. However, these layers can also be applied completely or partially as thin layers in a vacuum. With 7, 18, 20,32 and 33 are semiconductor components, and at 17, a capacitor designated by the lead-out lead wires of the lead wire 4 is' 2J to the positive terminal, the lead wire 41 'to the negative terminal and the lead wire 2' back to the field winding of the alternator, while wires 34 through 40 represent bond wires for internal connections. With the metallization 27 connected to the positive pole, the resistors 21 and 25 are connected on one side, as well as the one pole of the free-wheeling diode 7, which is soldered with its other pole to the metallization 26 via the bonding wire 39 18 in. monolithic power amplifiers Darlingtonschaltung aufgelötet, außerdem bildet die Metallisierung 26 noch die eine Anschlußelektrode des Widerstandes 22. Der Minuspol wird durch die Metallisierung 28 über den Draht 34 zu einem Belag des Kondensators 17 geführt Er bildet ferner eine Anschlußelektrode des Widerstandes 23 und ist über den Bonddraht 38 mit dem Emitter des Leistungsverstärkers 18 und über den Bonddraht 40 mit dem Emitter der monolithischen Vorstufe 20, die einen Transistor, einen Widerstand und eine Zenerdiode als Referenzelement für die Spannung enthält verbunden. Die Vorstufe 20 ist mit ihrem Kollektor auf die Metallisierung 19 aufgelötet, die die andere Anschlußelektrode des Widerstandes 21 bildet und über den Bonddraht 37 mit der F)asis des Darlington-Leistungsverstärkers 18 verbunden ist Auf der Metallisierung 31 sitzen die beiden Diodenchips 32 und 33, wobei der Chip 32 über den Bonddraht 36 mit dem Zener-Referenzelement der Vorstufe 20, und der Chip 33' über den Bonddraht 35 mit der Metallisierung 30 verbunden ist Die Schicht 30 verbindet außerdem noch je ein Ende der Widerstände 22, 23 und 24 miteinander. Die noch freien Anschlußelektroden der Widerstände 24 und 25 werden gemeinsam durch die Metallisierung 29 gebildet, auf die noch ι der Kondensator 17 mit seinem anderen Belag aufgelötet istDarlington circuit soldered on, in addition, the metallization 26 still forms one connection electrode of the Resistance 22. The negative pole is through the metallization 28 via the wire 34 to a coating of the Capacitor 17 out It also forms a connection electrode of the resistor 23 and is over the bond wire 38 to the emitter of the power amplifier 18 and via the bond wire 40 to the emitter the monolithic precursor 20, which contains a transistor, a resistor and a Zener diode as a reference element for the voltage. The prepress 20 is soldered with its collector on the metallization 19, which is the other terminal electrode of the Resistance 21 forms and via the bonding wire 37 with the F) asis of the Darlington power amplifier 18 is connected on the metallization 31 sit two diode chips 32 and 33, the chip 32 being connected to the Zener reference element of the Preamp 20, and the chip 33 'via the bond wire 35 with the metallization 30 is connected. The layer 30 also connects one end of the resistors 22, 23 and 24 together. The connection electrodes of the resistors 24 and 25 which are still free are formed jointly by the metallization 29, on which the capacitor 17 with its other coating is still attached is soldered on
Anhand der gezeigten Beispiele läßt sich die Erfindung weiter ausgestalten zu Anordnungen mit einzelverpackten Bauelementen, sogenannten Multichipanordnungen, komplexeren hybriden Anordnungen und Anordnungen mit rein passiven Netzwerken, wobei die isolierende Zwischenschichten tragenden Metallplatten weniger als wärmeabführende Elemente als vielmehr als billige Substrate dienen können.Based on the examples shown, the Develop the invention further to arrangements with individually packaged components, so-called multichip arrangements, more complex hybrid arrangements and arrangements with purely passive networks, wherein the insulating intermediate layers supporting metal plates less than heat-dissipating elements than rather, they can serve as cheap substrates.
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