DE1083439C2 - Verfahren zur Herstellung gekapselter Halbleiteranordnungen - Google Patents
Verfahren zur Herstellung gekapselter HalbleiteranordnungenInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
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BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGE S CHRIFT:
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PATENTSCHRIFT:
PATENTSCHRIFT:
kl. 21g 11/02
INTERNAT. KL. H 01 1 21. FEBRUAR 1958
15. JUNI 1960 8. DEZEMBER 1960
stimmt Oberein mit auslegeschri ft
1 083 439 (S 57041 VIII c / 21 g)
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung gekapselter Halbleiteranordnungen, wie
Flächengleichrichter mit p-n-Übergang, z. B. auf der Basis eines Halbleiters aus Silizium.
Für gekapselte Halbleiteranordnungen in Form von Spitzengleichrichtern ist es bekannt, sie in Glasbehälter
einzuschließen, indem von einem Glasrohr ausgegangen wird, an welchem nach dem Einsetzen,
dem Gegeneinanderführen und dem Halten der zusammenwirkenden Teile in der betriebsmäßigen Lage
durch äußere Hilfsvorrichtungen die Zuleitungen zu den Elektroden des Gleichrichtersystems durch einen
besonderen Warmverschlußprozeß an den Enden des Glasrohres in dessen Körper eingeschmolzen werden.
Hierbei waren besondere Maßnahmen zu treffen, damit durch den Wärmebehandlungsprozeß keine Nachteile
für die Elemente der Gleichrichteranordnung und die Gewährleistung der späteren einwandfreien
Arbeitsweise der letzteren, insbesondere auch durch die entstehenden Wärmedehnungen und den anschließenden
Abkühlprozeß, entstehen konnten.
Es ist ferner bei Spitzengleichrichtern bekannt, das Gleichrichtersystem aus den einander räumlich zugeordneten
Teilen in eine aushärtbare Gießharzmasse einzuschließen, die noch von einem besonderen Metallbecher
umschlossen sein kann, die gegebenenfalls die Funktion eines elektrostatischen Schirmes übernehmen
kann.
Bei einer solchen Anordnung ist es schwer, die Durchführungsstellen der elektrischen Zuleitungen
durch die Isoliermasse dicht zu gestalten und betriebsmäßig in diesem einwandfreien Zustand zu erhalten.
Bei dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung gekapselter Halbleiteranordnungen, wie Flächengleichrichter
mit p-n-Übergang, werden gemäß der Erfindung die einzelnen Elemente eines Halbleiterzellensystemaufbaues
in einer Hilfsform einander räumlich in ihrer entsprechenden Lage zugeordnet, dann diese
einander zugeordneten Teile von einer körnigen Glasfüllung umgeben, und anschließend wird ein solcher
thermischer Behandlungsprozeß an den in die Hilfsform eingeschlossenen Teilen durchgeführt, durch den
zugleich der Legierungsprozeß zwischen den Teilen der Halbleiterzelle einschließlich ihrer Anschlüsse und
der Sinterungsprozeß der die Kapsel der Zellenanordnung bildenden Glasmasse erfolgt.
Die Erfindung hat hierbei die Erkenntnis zur Grundlage, daß ein sehr vorteilhaftes technisches und schnell
durchführbares Fertigungsverfahren für solche Halbleiteranordnungen erreicht wird, wenn unter gleich-
zeitiger Ausnutzung einer notwendigen thermischen Behandlung bestimmten Temperaturwertes unmittelbar
sowohl die Fertigung des eigentlichen Gleichrichterelementes als ,auch seine Kapselung durch-Verfahren
zur Herstellung gekapselter Halbleiteranordnungen
Patentiert für:
Siemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen
Dr.-Ing. Karl Heinz Geyer, Berlin-Spandau, ist als Erfinder genannt worden
geführt werden. Eine bereits fertiggestellte Gleichrichteranordnung
braucht somit für die Zwecke ihrer Kapselung nicht nochmals einer besonderen thermischen
Behandlung unterworfen zu werden, die insbesondere eventuell zu Nachteilen für die Gleichrichteranordnung
führen könnte. Ferner läßt die Anwendung einer zunächst körnigen Glasmasse zur Bildung der
Kapselung einen kompakten Einschluß der Elemente der Gleichrichteranordnung zu, ferner erlaubt der
Kapselungswerkstoff die Anwendung betriebsmäßig praktisch beliebiger Temperaturen, und schließlich gewährleistet
eine Kapselung aus der angegebenen Masse,. daß einwandfrei dichte Stellen zwischen den .
Zuleitungen und dem Gehäusekörper hergestellt werden können, die auch als solche beständig sind.
Die Hilfsform kann z. B. aus Graphit bestehen. Nach dem Einsetzen der Teile in diese Hilfsform und
dem Einfüllen der körnigen Glasmasse bis zu einer gewissen entsprechenden Höhe, wie sie durch die
Form der zu erzeugenden späteren Kapselung bestimmt ist, kann die obere Endfläche dieser Füllung
nunmehr mechanisch belastet werden, ebenso wie auch die Teile des 'eigentlichen Gleichrichterelementeaufbaues
mechanisch belastet werden können. Die Belastung der Glaskörper kann z. B. unmittelbar durch
einen Abschlußkörper der genannten Hilfsform erfolgen. Anschließend wird der thermische Behandlungsprozeß
an den in die Hilfsform eingeschlossenen Teilen in einer Beheizungseinrichtung vorzugsweise
im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt.
Um unerwünschte mechanische Spannungen zwischen der Kapsel und den elektrischen Zuleitungen zu
dem Halbleiterelement auszuschließen, welche zu der
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Entstehung von Undichtigkeiten Anlaß geben können, kann es sich als zweckmäßig erweisen, die Werkstoffe
der Zuleitungen in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten in Anpassung an denjenigen des Sinterglaskörpers
zu wählen. So können die elektrischen Anschlußleitungen bzw. «Anschlußkörper z. B. aus Molybdän
oder einer Eisen- Nickel -Kobalt- Legierung hergestellt werden. Handelt es sich um dünnere
Drähte, welche als Anschlußleitungen für das Halbleiterelement benutzt werden, so kann beispielsweise
ein sogenannter Kupfermanteldraht benützt werden. Dieser Kupfermanteldraht hat gewöhnlich einen Kern
aus einer Eisen-Nickel-Legierung und einen Außenmantel, der aus Kupfer besteht. Das Kernmaterial genügt
dann unter rein mechanischen Gesichtspunkten der Bedingung, daß der Körper des Anschlußdrahtes
dem Ausdehnungskoeffizienten der Glasmasse angepaßt ist, während der Kupfermantelüberzug die Aufgabe
erfüllt, daß er, abgesehen von der guten elektrischen Leitfähigkeit, die er hat, gleichzeitig ermöglicht,
an seiner Oberfläche leicht eine dünne Oxydschicht zu bilden, welche bekanntermaßen die Herstellung einer
dichten Verbindung zwischen einem Metallkörper und einem Glaskörper fördert.
Um irgendwelche unmittelbaren Einwirkungen der Glaskapsel auf den Gleichrichtersystemaufbau bei der
Durchführung des thermischen Prozesses auszuschließen, kann es sich als zweckmäßig erweisen, den
Halbleiterelementesystemaufbau derart in eine besondere Schutzhülse, z. B. aus keramischem Material,
einzuschließen, daß die Glasmasse bei der Durchführung 'des Sinterungsprozesses keinen Zutritt insbesondere
z. B. zu dem bzw. einem p-n-Übergang an dem Halbleiterelement findet. Die Anwendung keramischen
Materials für eine solche Hülse ist günstig, weil Keramik und Glas in den Werten ihrer Ausdehungskoeffizienten
leicht einander angepaßt werden können, so daß auf diese Weise wieder dem Auftreten irgendwelcher
unerwünschter mechanischer Spannungen in dem System vorgebeugt werden kann, die sich gegebenenfalls
bereits bei dem Erstarren der Teile nach dem thermischen Prozeß bzw. gegebenenfalls auch betriebsmäßig
noch nachteilig auswirken können.
Der Aufbau eines Halbleiterelementes kann bei dem vorliegenden Verfahren derart gewählt werden, daß
mindestens der eine Anschlußleiter des Halbleiterelementes zugleich derart mechanisch stabil und starr
ist, daß er unmittelbar geeignet ist, einen mechanischen Träger des Halbleiterelementes zu bilden, welcher für
die Befestigung an einem anderen Geräteteil bzw. in einem Gestell geeignet ist. Dieser Körper besteht also
z. B. aus einem entsprechenden massiven Bolzen. Dieser Körper kann dabei z. B. gegebenenfalls entweder
an seiner äußeren Mantelfläche oder in einer besonderen Bohrung bereits mit einem Gewinde versehen
sein. Dieser bolzenartige Teil, dessen Querschnitt auf seiner ganzen Länge auch verschieden gewählt
sein kann, kann auch weitgehend über die Funktion eines Trägerkörpers hinaus ausgenutzt werden,
und zwar als Träger von entsprechenden, auf ihn aufschiebbareri bzw. an ihm zu befestigenden Kühlflossen,
über welche die betriebsmäßig an dem Halbleiterelement anfallende elektrische Verlustwärme
dann in wirksamer Weise abgeführt werden kann. So können beispielsweise, wenn der Anschluß'körper zylindrische
oder vieleckige Querschnittsform hat, auf seine Mantelfläche Kühlrippenkörper aufgeschoben werden
oder Kühlplatten, die einen entsprechenden Durchzug an einer Aussparung aufweisen, mittels dessen die
einzelne Platte auf den Anschlußleiter aufgeschoben werden kann und an diesem unmittelbar seinen Sitz
findet.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele wird nunmehr auf die
Figuren der Zeichnung Bezug genommen.
In der Fig. 1 ist eine Hilfsform z. B. aus Graphit im Schnitt dargestellt, welche aus den beiden Teilen 1
und 2 besteht. Der Formenkörper 1 ist mit einer zentralen Aussparung versehen, in welcher ein Körper 3
ίο eingesetzt ist. Dieser Körper kann z. B. aus einem
Molybdänstab bestehen, der an" seinem oberen Ende mit einer Aussparung 3 a versehen ist, in welche z. B.
die Teile einer Siliziumgleichrichterzelle eingesetzt werden. Der Aufbau dieser Gleichrichterzelle besteht
beispielsweise von unten nach oben, abgesehen von der Molybdängrundplatte, welche bei dieser Ausführung
bereits unmittelbar der Molybdänstab 3 bildet, aus einer auf diesen aufgelegten Aluminiumfolie 4 als Dotierungsstoff
der einen Leitungsart für den' Halbleiterkörper, einer Siliziumkristallplatte 5, einer Gold-Antimon-Folie
6 zur Bildung des Dotierungsmaterials der anderen Leitungsart für den Halbleiterkörper,
einem Stück Wolfram 7 und schließlich einem Anschlußdraht aus Molybdän oder Kovar 8. Dieser Draht
ist durch eine zentrale Aussparung des Formenteiles 2 durchgeführt. Auf das obere Ende des Drahtes ist ein
Körper 9 mit einer Bohrung aufgesetzt. Dieser Körper hat die Zweckbestimmung, ein Gewicht zu bilden,
durch welches die Elemente des Gleichrichterzellen-Systemaufbaues unter einem gewissen Druck gehalten
werden. Dieser übereinandergeschichtete Gleichrichtersystemaufbau ist umschlossen von einer keramischen
Hülse 10. Die auf diese Weise gebildete Anordnung ist umschlossen von einer in die Hilfsform 10 eingefüllten
körnigen Glasmasse 11. Auf dem oberen Ende der Glasmassefüllung 11 sitzt mit einer unteren
Stirnfläche der Teil 2 der Hilfsform auf, so daß er eine gewisse mechanische Belastung für die Glasmassefüllung
bildet. Nachdem auf diese Weise die thermisch zu behandelnden Teile einander in der erforderlichen
Weise räumlich zugeordnet worden sind, wird die Hilfsform nunmehr zweckmäßig in einen
Vakuumofen oder einen Ofen mit einer vorzugsweise inerten Schutzgasatmosphäre gebracht und dann auf
die entsprechende Temperatur erhitzt. Diese Erhitzung kann auf verschiedene geeignete Weise stattfinden,
insbesondere kann sie in Form einer elektrischen Hochfrequenzerhitzung durchgeführt werden.
Während dieses thermischen Behandlungsprozesses sorgt das zwischen die Gold-Antimon-Folie 6 und den
Anschlußdraht aus Molybdän oder Kovar eingefügte Wolframstück dafür, daß keine unmittelbare Legierung
zwischen dem Werkstoff des Anschlußdrahtes 8 und der Gold-Antimon-Folie 6 bzw. dem Halbleitereinkristallkörper
5 stattfinden kann. Nachdem durch die thermische Behandlung der Legierungsprozeß
zwischen den Teilen des Halbleiterelementes und der Sinterungsprozeß der Glasmasse stattgefunden hat,
wird nach öffnen der Form die mit dem Sinterglaskörper
gekapselte fertige Halbleiteranordnung herausgenommen, die dann eine Form hat, wie sie z. B. die
Fig. 2 veranschaulicht. In dieser Fig. 2 ist in das freie Ende des Körpers 3 noch ein Anschlußdraht 8a eingelötet
bzw. eingeschweißt oder eingequetscht, ähnlieh dem Anschlußdraht 8, der durch den Sinterglaskörper
11 α von dem Halbleiterelement herausgeführt ist. Auf diesen Körper 3 ist, um das Gleichrichterelement
für die Abfuhr einer größeren Verlustwärmemenge geeignet zu machen, noch ein Kühlkörper 12
mit stufenförmig ausladenden Rippen aufgebracht
worden, der in einer, Schnittdarstellung wiedergegeben ist.
In Fig. 3 ist ein Halbleiterelement mit einer etwas abweichenden Form des kapselnden gesinterten Glaskörpers
11 dargestellt, bei der für beide herausgeführten ,Anschlußleitungen 13 bzw. 14 je ein Kupfermanteldraht
benutzt ist.
Bei diesem Aüsführungsbeispiel ist in Abweichung von der Ausführungsform nach Fig. 2 der keramische
Körper 10 a, welcher die Halbleiterzellenanordnung gegenüber dem Sinterglaskörper umschließt, mcht
mehr zylindrisch, sondern in Form eines hohlen Konuskörpers ausgeführt. Hierdurch ist es auf einfache
Weise möglich, das Halbleiterelement an seiner äußeren Umfangszone abzudecken. Gleichzeitig geht
der keramische Körper 1Oo mit dem oberen Anschlußkörper 13 des Halbleiterelementes eine gegenseitige
Führung e;in, so· daß auf diese Weise wegen des Zu-'
sammenwirkens der Spitze des Konus und des Anschlußdrahtes 13 dem Zutritt von Glasmasse in den
Hohlraum des Konus vorgebeugt ist. Die innere Fläche des Kegelkörpers 1Oo legt sich gegen den
Rand der Gleichrichterzelle. Hierdurch setzt sich die Keramikhülse mit ihrem unteren Rand auf jeden Fall
nicht unmittelbar nahe der Elektrode der Halbleiterzelle auf deren p-n-Übergang auf, sondern dieser
p-n-Übergang ist in einen Hohlraum eingeschlossen, der durch die Halbleiterkörperoberfläche, die Elektrode
und die Innenmantelfläche des Keramikkörpers gebildet wird.
Bei der Ausführung eines Halbleiterelementes mit einem starren Bolzen nach der Darstellung gemäß den
Fig. 1 und 2 braucht dieser Bolzen nicht vollständig massiv z. B. aus Molybdän zu bestehen. Es genügt
auch, wenn der Körper an seiner Oberfläche, insbesondere an der Sitzstelle des Halbleiterelementes
oder/und an den Berührungsflächen mit dem Glaskörper, mit einem jeweils geeigneten, entsprechenden
Metallüberzug versehen ist. Allerdings muß auch in diesem Fall der Trägerkörper dieses Überzuges aus
einem Werkstoff mit einem solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt werden, daß keine mechanischen
Spannungen an den Berührungsflächen zwischen dem Glaskörper bzw. dem Halbleiterelement
und dem Anschlußleiterkörper 3 entstehen" können.
Als Sinterglas-Grundwerkstoff können z. B. Borsilikatgläser bei Verbindung mit Metallkörpern aus
Molybdän oder aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung,
bestehend aus 28 bis 29% Nickel, 17 bis 18%> Kobalt, unter 0,1% Kohlenstoff, etwa 0,2% Mangan
und Rest Eisen, oder Gläser mit noch geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Verbindungen
mit Wolfram oder Alkali-Silikat-Gläsern bzw. Bleigläsern bei Verbindungen ' mit Kupfermanteldraht
bzw. Chrom-Eisen-Legierungen verwendet werden.
Allgemein können für die Zwecke des vorliegenden Verfahrens im allgemeinen solche Glassorten benutzt
werden, die sonst mit Erfolg für Metallglasverschmelzungen zur Anwendung gelangen.
Um eine gute gegenseitige Haftung zwischen dem Sinterglaskörper und den Anschlußkörpern für eine
einwandfrei dichte Kapselung zu erreichen, kann es sich empfehlen, an Stellen der Anschlußleiter, wie
z. B. 3 und 8, an bestimmten Stellen eine \rorverglasung
vorzunehmen, wie sie z. B. in Fig. 1 an den Stellen 15 und 16 angedeutet ist. Diese kann z. B. erreicht
werden, indem ein Glas einer sehr feinen Körnung in Alkohol aufgeschwemmt und die Anschlußleiter an
den entsprechenden Stellen mit einer auf diese Weise geschaffenen Paste bestrichen werden. Diese aufgetragene
Paste wird dann getrocknet und die Schichten in einem Ofen, vorzugsweise unter Schutzgas, aufgeschmolzen.
An diesen vorzuverglasenden Stellen empfiehlt es sich wieder, auf der Oberfläche vorher
eine Oxydschicht zu erzeugen.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung gekapselter HaIbleiteranordnungen,
wie Flächengleichrichter mit p-n-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen
Elemente eines Halbleiterzellensystemaufbaues in einer Hilfsform einander räumlich in
ihrer entsprechenden Lage zugeordnet werden, dann diese einander zugeordneten Teile von einer
körnigen Glasfüllung umgeben werden und anschließend ein solcher thermischer Benandlungsprozeß
an den in die Hilfsform eingeschlossenen Teilen durchgeführt wird, durch den zugleich der
Legierungsprozeß zwischen den Teilen der Halbleiterzelle einschließlich ihrer Anschlüsse und der
Sinterungsprozeß der die Kapsel der Zellenanordnung bildenden Glasmasse erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-zeichnet, daß der thermische Behandlungsprozeß
in einem Vakuumofen durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Behandlungsprozeß in einem Ofen mit Schutzgasatmosphäre
durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Systemaufbau
der Halbleiterzelle von einer besonderen keramischen Hülse aus einem Werkstoff mit einem dem
Sinterglas ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten umgeben wird, durch welche beim Sinterungsprozeß Glasmasse die elektrisch empfindlichen
Teile der Anordnung der Zelle nicht erreichen kann.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß von der
Zelle herausgeführte Anschlußleitungen aus Metallkörpern, deren Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich
demjenigen der Glasmasse ist, vorgesehen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußleitungen aus Molybdän
oder einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung vorgesehen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Anschluß leitungen aus Kupfermanteldraht
vorgesehen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Kupfermanteldrähte mit einem Kern
aus einer Nickel-Eisen-Legierung und einem Mantelkörper aus Kupfer vorgesehen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kupfermanteldrahte vor der Durchführung des Sinterungsprozesses des Glases
an der späteren Berührungsstelle zwischen den. Glaskörper und dem Zuleitungsdraht oberflächenoxydiert
werden.
,
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der
elektrischen Anschlußkörper des Halbleiterelementes unmittelbar aus einem derart massiven starren
Körper gebildet wird, daß er für die fertige Halbleiteranordnung zugleich den mechanischen Träger
zur Befestigung des Halbleiterelementes in einem
Gerät oder einem Gestell bilden kann und hierfür unmittelbar besonders vorbereitet sein kann.
11. Verfahren nach. Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der als Träger des Halbleiterelementes dienende Aiischlußkörper mit einem Gewinde
versehen wird, das zur Befestigung: der Halbleiteranordnung in einem Gerät oder einem
Gestell dient. 9
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß an dem massiven star-
ren elektrischen Anschlußkörper Kühlkörper die Halbleiteranordnung befestigt werden.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift S 36923 VIIIc/21g (bekanntgemacht
am 16. 8. 1956);
britische Patentschrift Nr. 708 054; Espe — Knoli, »Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik«,
Berlin, 1936, S. 329 bis 337.
Hierzu 1 Blatt Zeichn.ungen
© 009 530/434 6. 60 (009 656/295 12. 60)
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- 1959-02-17 CH CH6967559A patent/CH369520A/de unknown
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