DE1812665A1 - Traeger fuer Halbleiterbauelemente - Google Patents

Traeger fuer Halbleiterbauelemente

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metal
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Henri Thouvenin
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Description

bipl.-lng. ERICH E. WAlTHER 1812665 pm. 3207,
Patentanwalt . Aftmeldür: N. V. PHlIPS1 GLOElLAMPEWFABRIEItEIi JM ' ¥J""
- 3207
Aflmeldunfl vomi 3. ΒβΖ· 1968
"Träger for Halbleiterbauelenente".
Die Erfindung besieht «ich auf einem flachen Träger für Halbleiterbauelemente, insbesondere für integrierte Schaltungen mit einer Anzahl Leiter, die im wesentlichen senkrecht auf dor Ebene des Trägers stehen und die den Kantellinien eines Zylinders mit kreisförmigen Querschnitt gemüse verlaufen*
Si· integrierten Schaltungen, die dadurch hergestellt werden, dass Platten aus Halbleitermaterial , wie mono-kristallinem SiIisium, mit kleinen Abmessungen örtlioh bestimmten Behandlungen ausgesetat werden» sind in »wei wiohtigen Ausfuhrungsformen im Handel erhältlich.
In der «inen Ausfährungsform ist die intonierte Sohaltung in einem flaohen blookformigen Halter angeordnet·-Dieser meisten« aus einem Isoliermaterial, vie Qlas oder Keramik, gebildete Halter wird
909834/0915
PBN. 3207.
mit einem Deckel geschlossen und enthält Durchführungsleiter, die mit den unterschiedlichen Elektroden oder Kontaktstellen der genannten Schaltung elektrisch verbunden sind, und die seitlich genäse zwei einander gegenüberliegenden ßändern des Halters gerichtet sind. Sie Anzahl dieser Elektroden oder Kontaktstellen, der die Anzahl Durchführungsleiter entsprechen muss, liegt nicht fest, beträgt jedoch meistens vierzehn.
In der anderen Ausführungaform ist die integrierte Schaltung an einem flachen, meistens kreisförmigen Träger aus Glas und Metall Angeordnet. Im allgemeinen hat dieser Träger genormte Abmessungen, gleich denen desjenigen Typs von Trägern, die gewöhnlich zum Anschluss von Transistoren mit geringer Wärmeableitung verwendet werden. Der Träger ist jedoch mit einer grossen Anzahl von Anschlussleitern versehen und von einer an eeinea Umfang festgeklemmten oder mit dem Träger verlöteten Kappe geschüttt.
Wenn dieser bekannte Träger die genannten genormten Abmessungen aufweist, ist es nicht möglich, daran integrierte Schaltungen mit mehr als zwölf Ausgangselektroden anzusehliessen. Ein derartiger Träger enthält ja eine metallene Platte mit einer Anzahl Löcher, und in jedem dieser Löcher wird ein Leiter duroh eine Glasperle oder dergleichen, die mit einer die ganze unter· Fläche des Träger» bedeckenden Glasscheibe verbunden ist, koaxial festgehalten. Auf diesem Träger sind di,e Leiter in einem Krei» mit genormtes Durchmesser von etwa 5,1 mm verteilt« Will ■an die metallene Platte nicht ajl«u viel abschwächen und sie als Einheit behalten, eo soll ein Metallstreifen mit einer bestimmten Breite »wischen den Löchern beibehalten werden. Veil dabei dar Durchmesser der Giaeperl® einen minimalen Wert nicht unterschreiten darf, dies wegen der Aufrechterhaltung der mechanischen und elektrischen isolierenden Eigenschaften
90S83A/098E
.„■■:, ■■■,- .Γ r:,»»„»»,, ,,,;
PIiN. 3^07.
1817665
der unterschiedlichen Leiter, iat es nicht möglich, mehr als zwölf Leiter in einem Kreis mit einem derart kleinen Durchmesser anzuordnen. Dadurch sind diese bekannten Träger zum Anschluss von integrierten Schaltungen ungeeignet.
Sie Erfindung beeweokt u.a. diese Nachteile zu vermeiden.
Der eingangsenrfihnte Träger ist daduroh gekennzeichnet, dass er einen metallenen Aussenring und eine innerhall) dieses Ringes liegende !fetalIseheibe enthfilt, wobei der Aussenring und die Soheibe ungeflhr konzentrisch mittels eines aus Isoliermaterial hergestellten Innenringes, der die genannten Leiter umgibt, fest miteinander verbunden sind.
Der Träger nach der Erfindung kann vierzehn regelndes ig über die genannte kreisförmige Basiafliche verteilte Leiter enthalten, obsohon er, was die form und die Abmessungen anbelangt, zu der Kategorie der in der Technik unter der Typenbeseiohnung "To 5" bekannten Träger gerechnet werden kann» die eine Anzahl elektrisch gegeneinander isolierter und auf einer kreisförmigen üasieflache mit einem Durchmesser von etwa 5»1 ο» angeordneter Leiter enthalten und die an ihrem Umfang an A eine das auf den Trfiger angeordnete Halbleiterbauelement schützende Kappe anechliessbar sind, wobei diese Träger zum elektrischen Anschluss des genannten Baiblei terbaue lernen tee dienen. Kit der erfindungs gema'se en Tra'gerkonstruktion ist es nioht mehr notwendig, einen Metallstreifen zwischen den Leitern aufrechtzuerhalten und diese können diohter nebeneinander angeordnet werden, ohne dass daduroh die Gefahr entsteht, dass zwischen jenen Leitern und einem anderen metallenen Teil des Trager· Kurseohluss entsteht. Daduroh iat ee mSglioh, die Anzahl Leiter eines Trägere vom "To 5"-Vn von swolf auf viersehn su bringen. Bs ist sogar
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möglioh, einen derartigen Träger mit einer grösseren Anzahl von Leitern zu versehen, es ist dann aber schwierig, diese Leiter mit äusseren Anordnungen zu verbinden, ohne dass ein foangel an Isolation oder sogar Kurzschluss zwischen den Anschlusselementen und diesen Bauelementen entsteht.
Das Halbleiterbauelement wird auf bekannte Weiee mit dem Ilittelteil dos Trägers (mit der Scheibe) verlötet und die unterschiedlichen Elektroden werden mittels sehr dünner Metalldrähte, im allgemeinen Golddrähte, mit den Leitern des Trägers verbunden. Ein Teil der durch das Halbleiterbauelement im Betriebszustand erzeugten Wärme wird zur zentralen Scheibe des Trägers geführt, während der übrige Teil durch Strahlung und Konvektion zur Kappe und von dort in die Umgebung abgeführt wird. Der gläserne Innenring zwischen der zentralen Scheibe und dem Aussenring weist einen bestimmten thermischen Widerstand auf, der zwar dem Wegfliessen der Wärme durch Leitung zwischen diesen beiden Elementen entgegenwirkt, aber in den meisten Fällen kann dieser Widerstand keine wesentliche Erhöhung der Gleichgewiohtstemperatur beim Halbleiterbauelement verursachen. Übrigens bietet die zentrale Scheibe, die ziemlich dick sein kann, den Vorteil, dass sie über die Fläche, gegenüber der, auf der das genannte Jauelement angeordnet ist, in direkter Verbindung mit der Umgebung steht. Falls eine beträchtliche Wärme in dieqem Halbleiterbauelement erzeugt wird, kann zwischen dem Träger und beispielsweise der Platte der gedruckten Schaltung, auf der der Träger liegt, eine Platte aus elektrisch isolierendem Material angeordnet werden, die jedoch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie Berylliumoxid, damit di« thermische Verbindung zwischen dem zentralen und äuseeren Teil dee Trägers wiederhergestellt wird. In aussergewohnlich kritischen Fällen
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kann der zentrale Teil des Trägere naoh auseen verlängert «erden, und zwar mittels eines vorzugsweise mit Gewinde versehenen Metalletab», auf dem ein kleiner Radiator angeordnet werden kann. Auf diese Weise gibt es keine Unterbrechung mehr im Kreis, über den die im Halbleiterbauelement erzeugte Wärme wegfllessen kann·
Zur Herstellung des erfindungsgemässen Trägers wird die bekannte 'Tressglastechnik" angewandt. Aueβer vielen anderen Vorteilen liefert dieses Verfahren vollkommen dichte Verschmelzungen, die eine sehr grossβ mechanische Festigkeit aufweisen.
Ein derartiger Träger wird wie folgt hergestellt. Loiter ait einem geeigneten Durchmesser, im allgemeinen zwischen 0,4 und 0,5 mm, werden un einen flachen kreisförmigen Träger aus hitzebostandigem I-aterial, wie Graphit, verteilt. Jeder dieser Leiter wird Bit einer Perle versehen, die aus einem Gemisch von Glaspulver und einem Bindemittel vorgeformt, oder durch Zerschneidung eines Glasrohre erhalten wird. Danaoh werden die Motallscheib« und der metallene Aus3enring auf den Träger gelegt. Der Durchmesser der Glasperlen muss derart gewählt werden, dass diese Perlen mit einem minimalen Spiel zwischen der Soheibe und |
den Hotallring passen können. Dabei ist es vorteilhaft, die Hohe dieser Perlen etwas grosser zu wählen als.die endgültige Hohe des Glasringes, so dass der Zwischenraum gut gefüllt wird.
Der Aussenring wird aus einen Netall mit einen hohen linearen Ausdehnungskoeffizienten, wie weichen Stahl (linearer Ausdehnungskoeffizient! 125.10~')hergestellt, während die zentrale Soheibe aus1 einem lie tall oder einer Legierung nit einem linearen Ausdehnung»- koeffizienten, der bedeutend niedriger ist als der des Stahls, besteht. Als Material tür dies· Soheibe wird beispielsweise eine in der Teohnik
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der Qlas-Metallverschmelzungen bekannte, Eisen-liokel-Kobalt-Legierung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von nahezu 50.10 verwendet. Die Leiter werden aus derselben Legierung hergestellt. Der Qlaaring besteht vorzugsweise aus einem Borosilikatglae, im Handel unter den Namen "Siverel 747" bekannt, mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten, der dicht bei dem der obengenannten Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung liegt.
Das Ganze wird in einen Ofen gestellt, in dem binnen einigen Minuten gemäsa einem geeigneten Temperaturanstiegzyklus auf die Einschmelztemperatur gebracht wird. Diese Temperatur lie^t zwischen 900 und 1100° C und hängt von der verwendeten Glassorte ab. Während dieser Behandlung schmilzt die Glasperle um jeden Leiter und vermischt sich mit den benachbarten Perlen, wobei ein ununterbrochener Glasring erhalten wird. Da das Metall des Aussenringes und das der zentralen Scheibe völlig verschiedene lineare Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, wird beim Abkühlen der Glasring am ganzen Umfang festgedrüokt, so dass ein abgedichtetes Ganze grosser mechanischer Festigkeit erhalten wird.
Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht eines erfindungegemässen Trägers, in der zur linken Seite der Linie A-A die unterschiedlichen Teile des Träger» vor der Wärmebehandlung und zur rechten Seite der genannten Linie ein Teil des fertigen Trägere dargestellt ist,
Fig. 2 einen Querschnitt gemlss der Linie A-A in Fig.
Fig. 3 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Trägers, wobei Spessialmittel zum Abführen der vom Halbleiterbauelement erzeugten Wärme verwendet werden müssen.
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Der erfindunßsgemässe Träger enthält Pinen netaller.en Aussenring 10 und eine zentrale konzer.trinche r-letallschcibe 11 nahezu gleicher Höhe, zwischen denen sich ein gläserner Innenrin? 12 befindet. Durch diesen Slasrinp sind Leiter 13 pefuhrt, die senkrecht auf der Scheibe 11 stehen und gemüse den Mantellinien eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt, dessen Achse mit der des Aussenringes 1C dazu zusammenfällt, verlaufen. Diese Drähte sind regelmässig verteilt, und beispielsweise bei einen Kreis mit einen genormten Durchmesser von *,1 mm beträgt ihre Anzahl vierzehn.
Der gläserne Innenring 12 wird beispielsweise aus zylindrischen Glasperlen erhalten. Diese Perlen werden zunächst in den ringförmigen Raum zwischen dec Aussenring 10 und der Scheibe 11 gelegt. Durch jede dieser Perlen ist ein Leiter 13 geführt.
Das Verschmelzen der Teile erfolgt auf einer flachen Bodenplatte 13 aus Graphit. Diese bodenplatte ist an der Stelle der Leiter 13 mit Löchern 16 vursehen.
Der metallene Aussenring 10 wird beispielsweise aus weichem Stahl und die Scheibe 11 aus einem Stahl mit einem niedrigeren Ausdehnungekoeffizienten als der des genannten weichen Stahls hergestellt. Als Material fur die Seheibe ist eine Eisen-ilickel-Kobalt-Legierung durchaus geeignet, da diese Legierung sich gut mit Glas verschmelzen lässt. Jeder der beiden letallteile, nämlich der Auesenring 10 und die Scheibe 11, wird vor dem Verschmelzen mit einer Metallschicht bedeckt, die dazu gemeint ist, später die Herstellung 4er Verbindung einerseits zwischen dem dazu mit eines Kragen 10 a versehenen Rand des Aussenringee und der Schutzkappe und andererseits zwischen der Scheibe und den Halbleiterbauelement «u fordern. So können beispielsweise der Auasen-
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ring 10 und die Scheibe 11 vernickelt bav.% vergoldet werden*
Die Höhe der Perlen 14 ist grosser als die Dicke des Aue-Benringes 10 und'der Scheibe 11, eo dass beim Verechraelsen der Raun; 17 zwischen den Perlen aufgefüllt wird. Der Ausdehnungskoeffizient" des Metalls des Leiters 13 muss nahe bei dem des Olasee der Perlen 14 liegen, so dass zwischen diesen beiden Teilen eine Verbindung dauerhafter Dichtigkeit erhalten wird. Da die Leiter im allgemeinen aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung bestehen, wird ein Borosilikatglas verwendet.
Zum Verschmelzen wird das Ganze in einen Ofen gestellt, in dem die Temperatur allmählich auf ein Maximum von etwa 1000° C gebracht wird. Die30 Temperatur wird während empirisch bestimmten Dauer aufrechterhalten. Die Glasperlen 14, die je einen Leiter 13 umgeben, bilden dann zusammen einen ununterbrochenen gläsernen Innenring 12. Beim Abkühlen, das ebenfalls allmählich erfolgt, wird ein Druck auf diesen gläsernen Innenring 12 ausgeübt, weil der lineare Ausdehnungskoeffizient des Metalls des Aussenringa 10 grosser ist ale der des Metalls der Scheibe 11, wodurch ein dichtes Glänze grosser mechanischer Festigkeit erhalten wird.
Der Träger nach Fig. 3 weicht dadurch von denen nach Fig. 1 und 2 ab, dass die zentrale Scheibe 11 mit einem metallenen zylinderforraigen Stab 19 verlängert ist. Dieser Stab dient dazu, das Wegfliessen der von dem auf der genannten Scheibe angeordneten Halbleiterbauelement 20 erzeugten Wärme zu fo'rdern. Dieses Halbleiterbauelement besteht aus einer Halbleiterplatte, auf der ein· Schaltung, beispielsweise an der oberen Fläche, angeordnet ist. Die erforderliohen elektrischen Verbindungen zwischen der integrierten Schaltung und den Leitern 13 des Trägere werden mittels Drähte 21, die meistens durch ein Thermo-
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druckverfahren befestigt werden, einerseits mit den Ausgangakoηtaktstellen der bekannten Schaltung und andererseits mit dem Ende jedes der Leiter 13 verbunden. Auf dem Hand des Au33enringes 10 wird eine das Element 20 schützende Kappe' 22. befestigt.
Dieses mit dem Träger verbundene und von der Kappe 22 geschütztes Bauelement wird mit auf der oberen und unteren Fläche einer isolierenden Bodenplatte 25 angebrachten Leiteratreifen, v.'ie 23 und 24, verbunden. Der Lederstreifen 23 ist mit einer metallisierten Öffnung 2ή -verbunden, durch die einer der Leiter 13 des Trägers hinciurchraj-t, während der Leiteratreifen 24 bis an eine metallisierte ''ffnun;: 2? reicht, in der ein anderer Leiter 13 angeordnet ist. Die Leiterstreifen der gedruckten Schaltung, die mit je einer einen der Leiter des Trägers erhaltenden metallisierten Cffnung verbunden sind, werden, im Verteilkreis der genannten Leiter auf dem 'Präger gesehen, vorsugsweise abwechselnd auf der oberen bzw. unteren Fläche der Bodenplatte «.'5 angeordnet, so dass jede Kurzschlussgefahr wegen der Tatsache, dass zwei dieser Streifen zu dicht nebeneinander liegen, vermieden ist. 3o sind die Leiterstreifen 23 und 24 auf der unteren bzw. oberen Fläche der Bodenplatte \ 25 angeordnet. Die elektrische Verbindung «wischen den Leiterstreifen und den Leitern wird durch Weichlot 26, das durch die Kapillarität längs der Wände der raetalisierten Öffnungen nach oben flieset, wenn die Lötbehandlung, beispielsweise nach den sogenannten "Wellenlötverfahren" durchgeführt wird, erhalten.
Zwischen der Fläoh· gegenüber der, auf der das Halbleiterbauelement 20 festgelötet ist, und der oberen Fläche der den Leiterstreifen 24 tragenden bodenplatte 25 befindet sich eine Platte 2$ aus keramischem Material, wie iJerylliunoxid. Biese Platte 29 dient einer-
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seits dazu, len rcatallenen Ausaenrin;; tO ties Tr:.\:er3 gegen den auf der oberen PlSohe der Bodenplatte ?5 angeordneten Lei tors Greifen der gedruckten Schaltung zu isolieren, und andererseits un swischen der Scheibe 11 und dem Ausnenring 10 eine thermische Kontinuität hervorzurufen, wodurch die '..'arme nach Schutskappe ?2 abfiiessen l:aiui xxnl nach Auaaen aun™ •;e3trahlt wird. Dadurch, lass lie mit ier Träger ion taktierte Fläche 'ler Platte 29 rmr. Teil metallisiert vfirl, Ist ea möglich, eine elektrische Verbindung zwischen den metallenen i-.ittsl- uni Ausoenteilen dea ■ienannton Trägers zu verwirklichen.
I/er durch die Bodenplatte 25 ft*eführte Stab 19 ist mit
Gewinde versehen, dies sur Erleichtcnui*; >ler Befestigung einer Itadiätzvorrichtung, die das Aüfliesssn der νοω ilalbleiterb:.iielement erzeti(?ten Wäriao in den aienlich seltenen Fällen erleichtert, in denen in der irenannten Schaltuni· eine erhebliche Ua'rGieerseu^un ζ stattfindet, j er Stab 19 kann zugleich als Erdverbinduii·? für die Schaltimr 2υ dienen»
Es dürfte einleuchten, dass sich die Srfiniumr nicht auf die hier als 3ei3piel beschriebenen Herstellungsverfahren beschränkt, sondern dass im Halmen der Erfindung viele Abänderungen nöfüch rcind.
BAD ORiGiNAt,
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Claims (11)

PATEiiTAüSFRÜCHE. pm;. 3207. 1817665
1. Flacher Träger für Halbleiterbauelemente, insbesondere für integrierte Schaltungen Bit einer Anzahl Leiter, die im wesentlichen senkrecht auf der Ebene des Tracers stehen und die den ketallinien eines Zylinders mit kreisförmigem Querschnitt gemase verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass der 'frä-er einen metallenen Aus:>eurin? unu eine innerhalb dieses Ringes liegende Hetallsoheibe enthält, wobei der Auseen- ring und die Scheibe unf-*ef£hr konzentrisch mittels eines aus Isolier- λ material hergestellten Innenringes, der die genannten Leiter umgibt, feet miteinander verbunden sind.
2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger vom "TOS'^-l^p ist, oit einen kreisförmigen Querschnitt von etwa 5,1 mm und dass dieser Träger viersehn Leiter enthält.
3. Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausβearing aus einem Ketall hergestellt ist, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient hoher ist als der des Metalles, aus den die Scheibe gebildet ist, «aiirend da3 Isoliermaterial des Innenrings einen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der in der Mähe des linearen f Ausdehnungskoeffizienten der Scheibe liegt.
4. Trager nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daas der Innenring aus Isoliermaterial aus einem Borosilikatglas besteht, während der Ausaenring aus einem nit einer dünnen Niokelschicht bedeckten weichen Stahl besteht.
5. Trager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennaeichnet, daas die Scheibe und der Aussenring ungefähr dieselbe Dicke aufweisen.
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6. Träger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet» dass die Scheibe an der dem Halbleiterbauelement gegenüberliegenden Fläche mit einem vorzugsweise mit Gewinde versehenen Stab verbunden ist, auf dem ein Wärmeableitmittel angeordnet «erden kann.
7, Verfahren zur Herstellung eines Trägers nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass metallene Leiter derart in Löchern in der hitzebeatändigen ebenen Bodenplatte angeordnet werden, dass sie senkrecht auf der Bodenplatte stehen» und den Kantellinien eines Zylinders gemäss verlaufen, wobei auf jedem dieser Leiter eine auf der genannten Bodenplatte liegende Glasperle angeordnet wird, während auf der genannten Bodenplatte eine Scheibe und ein metallener Auesenring innerhalb bzw, aus3erhalb eines genannten Zylinders konzentrisch angeordnet werden, wonach das Ganze auf eine Temperatur gebracht wird, die ausreicht um die Perlen schmelzen zu lassen, so dass ein einziger, wenigstens einen Teil des ringförmigen Baume zwischen der Scheibe und dem Aussenring füllender Innenring erhalten wird, und das Glas eich mit den weiteren Metallteilen des Trägere verschmilzt« &.
Verfahren nach Anspruch 7t dadurch gekennzeichnet, dass die Glasperlen aus einem Gemisch von Glas und einem Bindemittel vorgeformt werden.
9* Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Glasperlen durch Zerschneidung tines Glasrohrs erhalten werden.
10, Verfahren nach einem der Ansprüche 7 hie 9» dadurch ge» kennzeichnet, dass die Abmessungen der Perlen derart gewählt werden, dass der ganze ringförmige Raum zwischen der Scheibe und dem Auseenring aufgefüllt wird.
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11. Vorrichtung mit einer Montageplatte, beispielsweise einer Platte für gedruckte Schaltung, auf der ein elektronisches Bauelement angeordnet ist, mit einem Träger nach einem der Anspruch· 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermisch gut leitende, vorzugsweise isolierende Platte zwischen der genannten Montageplatte und dem Träger angeordnet wird, wobei die isolierende Platte ungefähr die ganze Oberfläche des genannten Trägers bedeckt.
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DE19681812665 1967-12-18 1968-12-04 Sockel für Halbleiterbauelemente und Verfahren zu seiner Herstellung Expired DE1812665C3 (de)

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