DE1809716A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents
HalbleitervorrichtungInfo
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Description
PHI.2994 dJo/¥JH.
öipi-ing. EH!CH π. WALTHER
^: pHN- 2994-
"Halbleitervorrichtung"
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, insbesondere
einen Hochleistungstransistör für sehr hohe Frequenzen in
einer geschlossenen Hülle hoher VXrmebestlndigkeit und ein Verfahren
sur Herstellung derselben»
Bestisuste Halbleitervorrichtungen z.B. Hochleistungstransistoren,
die bei sehr hohen Free.uenien wirksam sein soll, Müssen in
einem Gehäuse oder einem Blook untergebracht werden, das (der) besondere
Anforderungen erfüllen soll. Diese Vorrichtungen dissipieren
eine verhlltnismlssig grosse Wlrmemenge und die Hülle «oll eine
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gute Abfuhr dieser Wärme ermöglichen. Die Wirkung bei hohen Frequenzen
erfordert eine besondere Bauart der Vorrichtung selber, die diesen BetriebsverhÄltnissen angepasst ist. Der Kollektor eines Transistors
beansprucht z.B. nahezu das ganze Volumen des den Transistor enthaltenden Kristallen und durch diesen Kollektor soll eine möglichst
groese Menge der Wärme abgeführt werden. Der Kollektor muss
daher in innigem,' thermischem Kontakt mit einem Teil der Hülle stehen, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Es ist weiterhin notwendig möglichst geringe Impedanzen der elektrischen Verbindung zwischen der Halbleitervorrichtung und den
lusseren Vorrichtungen zu haben, damit die elektrischen Verluste auf
ein Mindestaass besohrlnkt werden. Daher müssen die Elektroden zur
Befestigung der durch die HQlIe der Halbleitervorrichtung hingeführten
Verbindungsdrlhte eine sehr niedrige Reaktanz und eine hinreichende
Leitfähigkeit aufweisen, so dass ihre Abmessungen verhKltnisaafissig
gross sein müssen und sehr gut elektrisch leitendes Material verwendet
werden soll» wShrend das Material der Hülle ausgezeichnete Isolationseigenschaften
aufweisen soll·
Zu» Irzielen der maximalen Betriebssicherheit soll die
HQIl* einer Halbleitervorrichtung, z.B. eines Transistors, noch wei-
ti
tere Anforderungen erfüllen, die sich auf den üblichen Schutz elektrisoher
Vorrichtungen beziehenι die HQlIe soll die Vorrichtung vor
jeder Verschmutzung schützen; die mechanische Festigkeit der Hülle
•oll derart sein, da·· die Vorrichtung stossfest ist; die Hülle soll
weder 41· Vorrichtung selber noch die lusseren Elemente verschmutzen,
wlhrend all· eigenschaften der Hüll· auch bei hohen Temperaturen von
t.B» »ehr al· 2QO*C fdr Verwendung in Raumfahrzeugen stabil nnin aol-
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lan. Ausserden soll die Hülle minimale Aussenabmessungen aufweisen.
Die bisher verwendeten Hüllen sur Aufnahme τοη Hochleistungetransistoren
für aehr hohe Frequenzen erfüllen nicht vollkommen alle
vorerwähnten Anforderungen.
Bestimmte Hüllen werden duroh Metalltrlger mit eines mit
Gewinde versehenen Stab für aine schnelle Wtrmeabfuhr gebildet, während
das Ganze fest an einer Stütse oder einem Radiator befestigt
wird und die Vorrichtung duroh eine einfache« gegossene Verkleidung aus thermo-plaatisohem oder thermo-erhärtendem Material abgeschirmt
wirdι die jedoch keinen vollkommenen oder dauerhaften Verschluss ergibt
und den vorerwlhnten hohen Temperaturen nicht widerstandsfähig
ist. Wenn die Abschirmung durch eine Hülle aus wärmebeständigem Haterial
wie Aluminium oder Glucin gebildet wird, bereiten die verschiedenen
Durchführungen der Verbindungsleitungen in besug auf die notwendige
Isolierung Schwierigkeiten und bringen die Gefahr von Ableitung mit sich·
Anderen Hülle dea Glaa-Metall- oder Glas-Keramik-Metall-Typs
sind iwax hitsebeständig und ergeben die erwünschte Abdichtung,
aber, sie haben keine massiven feilen, die in innig·»» thermischem '■
i Kontakt mit der Vorrichtung stehen and die bei der Verbindung und '·
Festklemmung der Vorrichtung an einem Sadiator β.B. einer gedrückten
Verdrahtung eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen.
Sie Hülle der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung erfüllt
die vorerwähnten Anforderungen.
fach der Erfindung wird die Halbleitervorrichtung hoher
Leistung für sehr hohe Frequensen, die in einer geschlossenen Hülle
hoher Temperaturbeständigkeit mit einem Träger sur Wärmeabfuhr und/
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oder but Befestigung der Vorrichtung auf einer W&rmedissipationsvorrichtung
untergebracht ist, welche Hülle mit einer elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Stütze in inniger, thermischer Berührung
mit dem TrSger befestigt ist, welche Stütze eine flache Oberfliehe
aufweist, auf der der Kristall der Vorrichtung befestigt'ist und die Srtlioh mit einer dünnen Metallschicht in gegeneinander isolierten
Gebieten übersogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramischer Ring, der durch einen Deckel abgeschlossen wird, auf der Stütze
befestigt wird, so dass ein geschlossener Raum gebildet wird, in dem die Vorrichtung untergebracht wird, wobei jedes der erwlhnten Gebiete
sich auf der Innen- und Aussenseite dieses Ringes befindet, wobei
flache Leiter hoher elektrischer Leitfähigkeit auf der Aussenseite
des erwlhnten Raumes in jedem der Gebiete festgelötet sind, welche Gebiete je für sich elektrisch mit einer der Zonen des Kristalles
innerhalb des erwlhnten Raumes verbunden sind»
In einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung bestehen der Trlger und die Leiter aus Kupfer, die
Stütze au· Berylliumoxyd, der Ring aus Aluminiumoxyd, wlhrend die
Abdichtung zwischen Ring und Stütze durch eine Glas- oder Email-Verbindung
erzielt wird. Die partielle Verkleidung der Stütze besteht aus einem harten, hitzebeständigen Metall z.B« Molybdln-Mangan, das '
vorzugsweise vernickelt oder vergoldet ist, wlhrend der Deckel aus Aluminiumoxid besteht und in bekannter Veite an dem Ring befestigt
wird, so dass «ine gute Abdichtung erhalten wird.
Für die untergebrachte Halbleitervorrichtung bildet diese Hülle nach der Erfindung ein vorzügliches wlrmeabfuhrmittel infolge
des galvanischen, grossen Kontaktes einerseits zwischen der die
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grSsste Wärmemenge dissipierenden Oberfliehe der Vorrichtung und der
.Stütze und andererseits zwischen der Stütze und den Metallträger.
Die Stütze «it hoher Wärmeleitfähigkeit kann eine sehr geringe Dicke
aufweisen, so das· der thermische Kreis einen sehr geringen Widerstand
aufweist. Sie Impedanz der elektrischen Verbindungen ist niedrig infolge
der geringen Länge der Verbindungsdrähte, des geringen Querschnittes und gegebenenfalls der grossen Anzahl, ausserdem haben die
metallisierten Gebiete und die flachen.Leiter eine grosse Oberfläche,
was für die sehr hohen Frequenzen notwendig ist.
Die durch die Hülle nach der Erfindung ersielte Abdichtung ist zweckdienlich! wenn die LSt- und Abdichtungsmaterialien richtig
gewählt werden. Die Lötverbindungen sind wenig zahlreich und es ergibt sich eine gute mechanische Abschirmung. Alle verwendeten Materialien
sind hinreichend hitzebeständig, so dass alle vorerwähnten Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen beibehalten werden können,
vorausgesetzt, dass die Schmelztemperaturen der LStmaterialien und
der Abdichtungsstoffe richtig gewählt werden. Diese Temperaturen können z.B. zwischen 800*C und 35O*C liegen. Die Temperatnrgrenze
für Aufbewahrung und Verwendung der Vorrichtung wird dabei nicht mehr
durch die Hülle sondern durch die zuletzt durchgeführt« Abdichtung und durch die Vorrichtung an sich bedingt. Diese Temperatur ist
höher als die bei den bisher bekannten Hüllen zulässige Temperatur bei Hochleistungstraneistören für sehr hohe Frequenzen.
Venn die verwendeten Materialien bei den weiteren Prozessen
eine Gefahr mit sich bringen, wie z.l. das Berylliuaoxyd, kann die
Hülle mit einem Abschirmlack Überzogen werden oder es kann ein formbare· Material mit gleiohem Effekt durch Giessen angebracht werden»
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Sie Erfindung wird nachstehend an Band beiliegender Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Pig. 1 einen Schnitt längs der Linie A-A in Pig. 2 durch einen Transistor in einer Hülle nach der Erfindung.
Pig. 2 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1 durch
den gleichen Transistor.
Pig. 3 teilweise einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. durch einen weiteren Transistor nach der Erfindung.
Die Hülle nach den Fig. 1 und 2 enthalt einen Metallträger
1 vorzugsweise aus Kupfer mit einem Kopf 2, dessen obere Seite flach
ist, und mit einem mit Gewinde versehenen Stab 13 zur Befestigung der
Vorrichtung an einem Radiator oder einer anderen Stütze. Der Kopf 2 hat vorzugsweise eine sechseckige Gestalt, so dass die Befestigung
erleichtert wird· Mit dem Träger 1 wird in inniger, thermischer Berührung
eine scheibenförmige Stutze 3 aus einem elektrisch isolierenden
Material guter thermischer Leitfähigkeit z.B. Berylliumoxyd befestigt. Die Scheibe wird vorzugsweise durch Hartlot auf dem Träger
angebracht; zu diesem Zweck ist die Scheibe an ihrer flachen, der Stütze gegenüber liegenden Oberfläche metallisiert, wobei ein Hartlot
4 derart zwischengefügt,wird, dass optimaler Wärmeaustausch zwischen
den zwei Teilen erzielt wird.
Auf der anderen Fliehe der Scheibe 3 wird eine Metallschicht
in Form gesendeter Gebiete 5» 6, 7 und 8 angebracht; in diesem
Beispiel sind vier Gebiete vorgesehen. Eines dieser Gebiete (6) hat in der Mitte der Scheibe eine hinreichend grosse Oberfläche zur Aufnah»·
de» Halbleiterkristalles, des in geeigneter Weise
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werden kann. Die Gebiete 5» 6, 7 und θ sind z.B. mit Gold überzogen;
der Halbleiterkristall kann ein Silicium-Einkristall sein und er kann
durch Gold- oder Gold-Antimon-Lot befestigt werden. Die Metallgebiete
sollen chemische, mechanische und thermisch· Eigenschaften aufweisen,
die den der Hülle gestellten Anforderungen entsprechen. Eine vernickelte MoIybdSn-Mangan-Schicht bildet ein Beispiel einer inerten,
harten, hitzebestSndigen Schicht.
Die Gebiete 51 6, 7 und 8, die unter Berücksichtigung des
zur Verfügung stehenden Raumes auf der Scheibe und der notwendigen
Isolierung eine maximale OberflSohe aufweisen sollen, erstrecken sich
je von der Zentralzone der Scheibe ab zum Umfang, wie dies in Fig. 2
angedeutet ist. Durch die Lötverbindung des Kri3talles steht eine
Zone des Transistors, gewöhnlich die Kollektorzone, in elektrischer und thermischer Berührung mit dem Gebiet 6. Die anderen Zonen, die
Emitter- und Basiszonen,·werden durch Drähte 14 mit den anderen Gebieten
5, 7 und θ verbunden, wobei die Emitterzone vorzugsweise mit
den zwei Gebieten 5 und 7 verbunden wird, die diametral einander gegentiber
liegen.
Ein Ring 17 aus elektrisch hoch isolierendem, hitzebestfindigem
Material wird auf der Scheibe 3 auf der mit den Metallgebieten
5, 6, 7 und θ versehenen Oberfliehe befestigt. Der Ring 17 wird vorzugsweise
durch Schmelzglas 9 an der Seheibe 3 befestigt, wodurch
eine gute Abdichtung sowohl mit den Metallgebieten al· auch Bit den
nicht metallisierten Teilen der Scheibe erhalten wird. Der Ring 17
hat einen solchen Querschnitt und eine solche Dicke, dass der Kristall 18 thnlich wie die Verbindungedrttht· U und deren Lötstellen
innerhalb de· Ringes liegen, wXhrend die auseerhalb des Ring·· lie-
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genden Teile der Metallgebiete eine hinreichend grosse OberflMche
aufweisen, um die flachen Metalleiter 11, 12, 15 und 16 darauf festzulöten,
die je aus der Scheibe 3 und dem Kopf 2 herausragen. Die
flachen Leiter bestehen vorzugsweise aus vernickeltem und vergoldetem
Kupfer. , · _
Auf dem Ring 17 wird ein Deckel 19 durch Hartlot 10 festgelötet.
Der Deckel besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Ring 17, z*B. Aluminiumoxyd· Der Deckel kann auoh gemeinsam
nit dem Ring ein Ganzes bilden. Das Ganze kann noch mit einem nioht dargestellten Schutzlack Überzogen werden oder in gewissen
FSIlen kann eine thermo-erhärtende Verkleidung durch dessen angebracht
werden.
Die Fig. 5 und 4, die ein weiteres Beispiel, eines in
einer Hülle nach der Erfindung untergebrachten Transistors darstellen, zeigen die gleichen Elemente wie die Fig. 1 und 2. Die
' Hülle enthXlt einen Metallträger 20 mit einem Kopf, auf den zwei
Gebiete 22 zum Erleichtern der Festklemmung angebracht sind, und
mit eine* mit Gewinde versehenen Stab 21. Auf dem Träger 20 wird
eine Stütze 24 unter Zwischenfügung eines Verbindungsmetallee 23
angebracht. Die Stütze 24 aus elektrisch isolierendem Material ist teilweise in gesonderten Gebieten 25 metallisiert, auf einem derselben
ein Halbleiterkristall 31 festgelötet wird und weiterhin elektrisch durch DrShte 32 mit den anderen Gebieten verbunden ist.
Ein isolierender Ring 29 wird auf der Stütze 24 unter Zwisohenfügung
von Sohmelzglas befestigt, wthrend flache Leiter 26, 27, 2Θ
an den Teilen der Metallgebiete ausserhalb des Ringes 29 festgelBtet
werden* Ein Metalldeckel 53/der in Flg. 4 nicht dargestellt
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ist, Bchlieest den Raum ab, der durch den Ring 29 gebildet wird, wo-■
bei die Abdichtung durch ein Verbindungemetall 34 erzielt wird.
Die bei dem Transietor nach den Fig. 3 und 4 verwendeten
Materialien können ähnlich denen des vorhergehenden Beispiels sein, mit Ausnahme des Deckels, der hier vorzugsweise aus einer Eisen-Hickel-Kobalt-Legierung
besteht, die unter dem Handelsnamen von "Dilver P1", bekannt iet und die vorzugsweise mit einer Gold-Zinn-Legierung
an der "LStfllche und mit einer Goldschicht auf der anderen
Fliehe überzogen ist.
Der in Fig. 3 dargestellte Deckel besitzt einen kleinen Zentrierflansch, aber dieser Deckel kann selbstverständlich auch
flach sein oder ein anderes Profil aufweisen, das in besonderen FSllen vorteilhafter sein kann.
Die vorstehend beschriebenen Beispiele beziehen sich auf
Transistoren »it einem Siliciumkristall, aber selbstverständlich
lassen sieh andere Halbleitervorrichtungen, andere Kristalle wie Germanium-und Galliumarsenidkristalle, usw. nach der Erfindung in
einer abgedichteten Hülle unterbringen. Weiterhin ist dl« Anzahl
von Elektroden der Vorrichtung nicht auf 3 oder 4 besohrfnkt, wie
in den beschriebenen Beispielen. Bei einer Diode kann-diese Anzahl
2 und bei verwickeiteren Vorrichtungen 5 oder mehr betragen·
Aus den zwei vorstehend beschriebenen Beispielen wird einleuchten, dass die erforderlich· eigenschaften einer Hochleistungs-Halbleitervorrichtung
für sehr hohe Frequensen in hohe» Mas·· erzielt werden. Die disaipierte Virae wird zweckdienlich
abgeführt von der zu diesem Zweok geeignetsten Oberfllche des
Kristall·· d.h. der JCollektorzene, während der WtaMabfuhrkr·!·
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minimal ist. Die Impedanz der elektrischen Verbindungen ist sehr
niedrig und die isolierung wird durch Materialien hoher Isolierleistung erhalten. Die Abdichtung durch das Löten und Festschmelzen
ist besser als bei den entsprechenden, bekannten Torrichtungen, wo
diese durch thermo-plastisches oder thermo-erhärtendes Material erhalten
wird. Dies gilt auch für die mechanische Festigkeit, die Hitzebeständigkeit und die chemische Festigkeit.
Beispielsweise wird nachstehend ein Verfahren zur Her» stellung eines Transistors in einer abgedichteten Hülle für eine
Vorrichtung nach der Erfindung (siehe Flg. 1) beschrieben.
Sie unterschiedlichen Bestandteile werden vorbereitet!
•in Träger aus Kupfer (1 in Fig. 1) wird entfettet und geätzt.
Ein· Berylliumoxydscheibe (3) wird auf einer Oberfläche vollständig
metallisiert und auf der anderen Oberfläche in den Gebieten 5, 6, 7 und β, worauf die Molybdln-Mang&n-Sehichten mit Nickel und
Gold Oberzogen werden· Ein Aluminiumring 17 wird auch mit einer
Molybdln-Mangan-Schicht überzogen und dann auf einer der Oberflächen
vernickelt, worauf auf der anderen flachen Oberfläche Glas angebracht und gehärtet wird. Ein Aluminiumdeckel 19 wird auf
gleiche Weise metallisiert und dann Bit einer Nickel- und Goldschicht
übersogen. Kupferstreifen 11, 1*2, 1$ und 16 werden entfettet und geltat.
Der vollständige Träger wird durch Löten und die Leiter
11, 12,'15.und 16 werden durch lupf©r»Silberlot bei einer Temperatur
von »ehr al© 600*C auf ier Stütze 3 befestigtB während der
HiJBg 17 turoh Schmilz®«, tee angebrachtes! Glaees fest ge schmolzen
vlvd· 11··· Bearbeitungen werden vorteilhafterweise gleichseitig
durchgeführt, %u welche» Zweck d*s Lot eat das Seiiaelüsglso i>s-scöS
BAO ORIGINAL
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gewählt werden.
Der Kristall 18 wird darauf auf der Stütze befestigt.
Wenn die Torrichtung aus einen Silicium-Einkristall besteht, erfolgt
das FestlSten durch Formierung eines Gold-Silicium-Eutektikums
bei etwa 45O*C. Zum Erleichtern dieses L8tvorgängeβ ist es
Yorteilhaft eine Goldfolie oder eine Gold-Antimon-Polie zwischenfugen.
Die Basis- und Emitterverbindungen werden dann durch DrIhte
angebracht, die durch Thermokompression oder durch Ultrasahallschwingungen
befestigt werden. Nach Vaschen und Spülen der Torrichtung
wird der Deckel mittels eines Gold-Zinn-Eutektikums bei einer
Temperatur von 300 bis 35O-(J angebracht. Die Torrichtung kann darauf
entsprechend der beabsichtigten Verwendung abgefertigt werden x.B. durch Vernickeln oder Vergolden des Trägers, Verkleidung mit
einem Schutslack, Giessen eines Schutzharxes oder durch eine bekannte
andere Bearbeitung.
Alle vorerwähnte Prozesse lassen sich durch bekannte Techniken durchführen und bei dem beschriebenen Terfahren treten
keine besonderen Schwierigkelten auf in bezug auf die üblichen Behandlungen bei der Montage und der Abschirmung der Halbleiter- :
vorrichtungen.
Ein in einer Hülle untergebrachter Transistor kann eine Hennleistung von 25 W bei 400 MHs oder sogar 50 V bei 400 MHs
und eine maximale Spitzendissipation von 50 V aufweisen· Sie Auf-
* ■
bewahrungsteaperatur darf 200*C übersteigen.
Innerhalb des Rahmans der vorliegenden Erfindung lassen
sich durch Anwendung anderer, äquivalenter technischer Mittel weitere
Abarten ausbilden.
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Claims (3)
1. Halbleitervorrichtung, insbesondere Hochleistungstransistor
für sehr hohe Frequenzen in einer hermetisch geschlossenen Hülle mit hoher Temperaturbestfindigkeit, die einen W&rmedissipierenden
Träger, der auch als Befestigungemittel der Vorrichtung an einem wKrmedissipierenden Organ dienen kann, und eine elektrisch isolierte,
thermisch leitende Stütze enthSlt, die in innigem, thermischem Kontakt auf den Träger befestigt ist und eine flache OberflSche
aufweist, auf der der Kristall der Vorrichtung befestigt wird und die örtlich mit einer dünnen Metallschicht in gesonderten Gebieten
überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch einen Deckel
geschlossener keramischer Ring auf der Stütze derart befestigt wird, dass ein die Vorrichtung enthaltender, geschlossener Raum erhalten
wird, wobei jedes der Gebiete eich innerhalb und ausserhalb des
Ringes befindet und flache elektrische Leiter auf der Äussenseite des Raumes an jedem der Gebiete festgelötet sind, welche Gebiete
je elektrisch mit einer der Zonen des Kristalles innerhalb des Raumes verbunden sind.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Trlger und die Leiter aus Kupfer, die Stütze aus Berylliumoxyd, der Ring aus Aluminiumoxyd bestehen, während die
Abdichtung zwischen Ring und Stütze durch eine Glas- oder Saal1verbindung
erhalten wird.-
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Verkleidung der Stütz· aus
einem harten, hitzebestlndigen Metall z.B. Molybdän-Mangan besteht,,
das vorzugsweise vernickelt oder vergoldet wird, während der Deckel aus AluminiUBOxyd besteht und in bekannter Weise an dem Ring be-
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festigt wird.
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Cited By (2)
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