DE3587085T2

DE3587085T2 - Hermetisch verschlossenes halbleitergehaeuse.

Info

Publication number: DE3587085T2
Application number: DE8585111827T
Authority: DE
Inventors: Sheldon H Butt; Richard A Eppler; Michael J Pryor; Iii Edward F Smith
Original assignee: Olin Corp
Current assignee: Olin Corp
Priority date: 1984-09-19
Filing date: 1985-09-18
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2005-09-19
Also published as: EP0178481A3; DE3587085D1; KR860002867A; EP0178481B1; CA1244148A; KR930010068B1; EP0178481A2

Description

Obgleich die Erfindung einem breiten Anwendungsbereich unterliegt, betrifft sie insbesondere hermetisch verschlossene Halbleiterpackungen und das Verfahren, diese Packungen herzustellen. Die Erfindung ist gerichtet auf die Verwendung einer thermisch stabilen, glasverschließbaren Legierung für die Packungsbestandteile und insbesondere für den Leiterrahmenaufbau. Diese Legierungen werden leicht an Glas befestigt und haben, verglichen mit typischen Legierungen, wie sie bei der konventionellen Leiterrahmenherstellung verwendet werden, eine hervorragende Widerstandsfähigkeit gegen Erweichen bei Glasverschließungstemperaturen.
Hermetisch verschlossene Packungen werden in Anwendungen verwendet, die eine maximale Verläßlichkeit erfordern. Diese Packungen, typischerweise aus mit einem Verschlußglas aneinander befestigten Keramik- oder Metall-Bestandteilen, bilden eine Einschließung, die im wesentlichen undurchlässig ist für die Diffusion von Wasserdampf oder anderen Verunreinigungsstoffen.
Eine typische glasverschlossene Halbleiterpackung kann aufgebaut sein aus einem Metallsubstrat, einem Metalleiterrahmen und einer Metallabdeckung. Das Material zur Herstellung dieser Metallbestandteile hat bevorzugt die Fähigkeit, auf seiner Oberfläche eine kontinuierliche Schicht aus hitzebeständigem Oxid auszubilden. Beispielhaft für dieses Material ist eine Legierung auf Kupferbasis, bestehend im wesentlichen aus 2 bis 12% Aluminium und Rest Kupfer, wie die handelsübliche Legierung CDA 63800.
Eine andere konventionelle Technik zum hermetischen Verschließen von Halbleitervorrichtungen ist mit Packungen vom Fensterrahmentyp. Diese Packungen werden hergestellt durch Befestigen eines Metallsubstrats an einer ersten Oberfläche eines Leiterrahmens mittels Glas. Eine erste Oberfläche eines Verschlußrings wird dann an einer zweiten Oberfläche des Leiterrahmens befestigt. Nachdem die Halbleitervorrichtung in der von dem Substrat und dem Verschlußring gebildeten Einschließung angebracht ist (Plättchen- Befestigung), werden innere Verbindungen zwischen dem Plättchen und dem Leiterrahmen hergestellt, und dann wird eine Abdeckung an einer zweiten Oberfläche des Verschlußrings befestigt, um das Gehäuse zu verschließen. Der Hauptvorteil der Packung vom Fensterrahmentyp ist, daß die Befestigung der Abdeckung an dem Verschlußring mit Glas, Lötmetall oder anderen Mitteln durchgeführt werden kann, bei Temperaturen, die beträchtlich unterhalb denen sind, die zur Ausbildung des hermetischen Glas-an-Metall-Verschlusses um den Leiterrahmen herum verwendet werden. Die Halbleitervorrichtung ist daher nicht den potentiell zerstörenden, hohen Verschlußtemperaturen ausgesetzt, die im allgemeinen mit dem hermetischen Glasverschließen einhergehen.
Eine Quelle der Besorgnis beim Glasverschließen von Halbleiterpackungen ist das Erweichen der Metallbestandteile und insbesondere des Leiterrahmens, wenn sie Glasverschlußtemperaturen unterworfen werden. Ein anderes potentielles Problem ist die Notwendigkeit, den erforderlichen Glasfluß bei der Feuerungstemperatur zu erreichen.
Der vorliegende Erfindungsgegenstand schafft eine hermetisch verschlossene Halbleiterpakkung mit beträchtlicher Wärmeableitung. Die Packungsbestandteile sind ausgewählt aus Metall- oder Legierungs-Materialien, die glasverschließbar sind und eine beträchtliche Festigkeit haben, nachdem sie für die Zeit, die für das Herstellen der Packungen erforderlich ist, Verschlußtemperaturen unterworfen waren. Um hohe Niveaus der Wärmeableitung zu erreichen, sind Kupfer und Aluminium naheliegende Bewerber. Aluminium kann unter dem Gesichtspunkt der Verarbeitung schwierig sein, da es eine niedere Schmelztemperatur, d. h. etwa 650ºC, und einen sehr hohen thermischen Expansionskoeffizienten, 235 · 10&supmin;&sup7;/ºC (in/in/ºC) hat. Kupfer und Kupferlegierungen, andererseits, liefern hervorragende spezifische Materialeigenschaften einschließlich einer Schmelztemperatur von etwa 1050ºC und einem thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 160 · 10&supmin;&sup7; bis etwa 170 · 10&supmin;&sup7;/ºC (in/in/ºC). Die spezifischen Materialeigenschaften des ausgewählten Metalls oder der Metallegierung setzen für jeden Bestandteil des Packungssystems den Bereich des thermischen Expansionskoeffizienten fest.
Plattierte Leiterrahmen sind insbesondere geeignet für hermetisch verschlossene keramische dual-in-line integrierte Leiterkreispackungen (CERDIP).
Die Metallplattierungszusammensetzung ist so ausgewählt, daß der thermische Expansionskoeffizient der Zusammensetzung dem von Keramikbasis und Deckel vergleichbar ist. Die an dem Kern angebrachten Plattierungen sind auch so ausgewählt, daß sie der Bildung von Kupfer-Aluminium-intermetallischen Verbindungen widerstehen. Eine zusätzliche Plattierung kann inkorporiert werden, um die thermische Verteilung des Leiterrahmens zu erhöhen.
Es gibt Verweisungen auf Plattierungen, wo der Kern aus rostfreiem Stahl und die Plattierung aus Kupfer oder Kupferlegierung ist. Siehe japanische Patentschrift Nr. 609 546, Juli 1981; und einen Artikel mit dem Titel "Clad Lead Frames Take Out More Heat" von Lineback in Electronics, 11. August 1981.
Die US-Patente Nr. 4 498 121 und Nr. 4 500 028 offenbaren eine Zusammensetzung aus einem mit einer unähnlichen Kupferlegierung wie CDA 63800 plattierten Kern aus Kupfer- Zirkonlegierung.
EP-A-0 100 817 betrifft ein Halbleitergehäuse des oben angegebenen Fensterrahmentyps. Basiselement, Deckel, Leiterrahmen, Fensterrahmen bzw. Beschichtungen darauf können hergestellt sein aus einer Legierung auf Kupferbasis, die von 2 bis 12% Aluminium enthält.
US-A-4 135 038 betrifft auch eine Halbleiterpackung vom Fensterrahmentyp, die verschlossen ist durch ein Verschlußglas mit niederem Schmelzpunkt, das 60 bis 85 Gewichts% Bleiborat, 10 bis 30 Gewichts% β-Eucryptit und 0,5 bis 15 Gewichts% Zirkon enthält.
Ein Verschlußglas mit niederem Schmelzpunkt zur Verwendung in Halbleiteranwendungen
ist auch in DE-A-30 02 353 beschrieben. Die Hauptbestandteile sind 77 bis 86 Gewichts% PbO, 6 bis 15 Gewichts% B&sub2;O&sub3;, 0,5 bis 6,9 Gewichts% ZnO und 0,1 bis 3,0 Gewichts% SiO&sub2;.
In EP-A-0 116 844 ist eine Vorrichtung offenbart, in der der Leiterrahmen ausgebildet sein kann aus einer Legierung auf Kupferbasis, die mindestens etwa 15% Nickel enthält, oder mit der Legierung plattiert sein kann.
Diese Patente unterscheiden sich von der vorliegenden Erfindung, weil das Kernmaterial bei den erforderlichen Glasverschluß-Zeiten und -Temperaturen erweicht.
Es ist ein der vorliegenden Erfindung unterliegendes Problem, eine hermetisch verschlossene Metallhalbleiterpackung zu schaffen, in der die Metallbestandteile und insbesondere der Leiterrahmen glasverschließbar sind und ihre Festigkeit beibehalten, nachdem sie Glasverschlußtemperaturen ausgesetzt wurden.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine hermetisch verschlossene Halbleiterpakkung zu schaffen, die eine oder mehrere der Beschränkungen und Nachteile der beschriebenen früheren Anordnungen überwindet.
Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine hermetisch verschlossene Halbleiterpackung zu schaffen, in der der Leiterrahmen seine Festigkeit beibehält, nachdem er der thermischen Exponierung unterworfen wurde für die Zeit und Temperatur, die für das Glasverschließen erforderlich ist.
Es ist ein weiteres Problem der vorliegenden Erfindung, eine hermetisch verschlossene Halbleiterpackung zu schaffen, bei der mindestens der Leiterrahmen aus einem speziellen Legierungsbestandteil hergestellt und verschlossen ist mit einer speziellen Glasfamilie, die bei der Verschlußtemperatur überlegene Flußcharakteristika hat.
Es ist noch ein weiteres Problem der vorliegenden Erfindung, eine hermetisch verschlossene Halbleiterpackung zu schaffen, bei der mindestens der Leiterrahmen als eine Tri-Plattierung angefertigt ist, in der die äußeren Schichten leicht glasverschließbar sind und die innere Kernschicht sowohl glasverschließbar als auch fähig ist, ihre Festigkeit bei Glasverschlußtemperaturen beizubehalten.
Dementsprechend wurde eine erste Ausführungsform einer verbesserten, hermetisch verschlossenen Halbleiterpackung geschaffen und ein Verfahren zur Herstellung der Packung. Die Packung ist hergestellt aus einem Basissubstrat, einem Abdeckelement und einem Leiterrahmen aus thermisch stabiler, glasverschließbarer Legierung (thermisch stabilen, glasverschließbaren Legierungen). Die Legierung des Leiterrahmens hat eine spezielle Zusammensetzung, deren Streckgrenze durch die Zeiten und Temperaturen, die für das Glas-an- Metall-Verschließen erforderlich sind, nicht ungünstig beeinflußt wird. Weiterhin schafft ein Verschlußglas vom Bleiborattyp mit niederem Schmelzpunkt verbesserte Flußcharakteristika auf einer Legierung (Legierungen) des Leiterrahmens und bindet an der Basis und dem Deckel. Die für die Abdeckung und das Substrat verwendeten Legierungen können die gleichen sein wie die des Leiterrahmens oder können, wenn gewünscht, aus anderen glasverschließbaren Legierungsmaterialien ausgewählt sein.
Eine zweite Ausführungsform, der ersten ähnlich, hat einen tri-plattierten Leiterrahmen, bei dem die äußeren Plattierungsschichten ausgewählt sind aus einer gegen Oxidation widerstandsfähigen Kupferlegierung, die leicht an einem Verschlußglas befestigt werden kann. Die innere Kernschicht des plattierten Leiterrahmens ist ausgewählt aus einer thermisch stabilen, glasverschließbaren Legierung, wie in der ersten Ausführungsform, deren Streckgrenze durch die Zeiten und Temperaturen, die für das Glas-Metall-Verschließen erforderlich sind, nicht ungünstig beeinflußt wird.
Die Erfindung und weitere Entwicklungen der Erfindung werden nun mittels bevorzugter, in den Zeichnungen gezeigter, Ausführungsformen erläutert.
Fig. 1 ist ein Querschnitt einer hermetisch verschlossenen Halbleiterpackung auf der Basis der in der vorliegenden Erfindung dargestellten Konzepte.
Fig. 2 ist ein Querschnitt einer hermetisch verschlossenen Halbleiterpackung vom Fensterrahmentyp auf der Basis der in der vorliegenden Erfindung dargestellten Konzepte.
Fig. 3 ist ein Querschnitt einer hermetisch verschlossenen Halbleiterpackung mit einem triplattierten Leiterrahmen und auf der Basis der in der vorliegenden Erfindung dargestellten Konzepte.
Fig. 4 ist ein Querschnitt einer hermetisch verschlossenen Halbleiterpackung vom Fensterrahmentyp mit einem tri-plattierten Leiterrahmen und auf der Basis der in der vorliegenden Erfindung erläuterten Konzepte.
Fig. 5 ist ein Querschnitt einer hermetisch verschlossenen Halbleiterpackung mit einem biplattierten Leiterrahmen und auf der Basis der in der vorliegenden Erfindung dargestellten Konzepte.
Fig. 6 ist ein Querschnitt einer hermetisch verschlossenen Halbleiterpackung vom Fensterrahmentyp mit einem bi-plattierten Leiterrahmen und auf der Basis der in der vorliegenden Erfindung dargestellten Konzepte.
Die vorliegende Erfindung umfaßt eine Halbleiterpackung mit einem thermisch stabilen Leiterrahmen aus einer glasverschließbaren Legierung, der seine Festigkeit beibehält, nachdem er für den Betrag an Zeit und Temperatur, die für das Glasverschließen erforderlich sind, erhitzt wurde. Auch die anderen Bestandteile der Packung können aus einer ähnlichen Legierung ausgebildet sein.
Verschlußgläser vom Bleiborattyp werden für besondere geeignet für die vorliegende Erfindung gehalten. Die Glasmatrix der bevorzugten Verschlußglaszusammensetzung ist ein Glas vom Bleiborattyp, das im allgemeinen auch einen oder mehrere andere Glasbestandteile enthält, wie Wismuth, Zink, Aluminium, Silizium, Barium, Arsen, Zinn und Tellur, die normalerweise in ihren jeweiligen Oxidformen anwesend sind. Diese Lötgläser vom Bleiborattyp haben üblicherweise über den Temperaturbereich von Umgebungstemperatur zu ihrer Glasübergangstemperatur (typischerweise etwa 300ºC) thermische Expansionskoeffizienten von etwa 80 bis etwa 130 · 10&supmin;&sup7;/ºC (in/in/ºC).
Solche Gläser werden verwendet zur Bildung von Glasverschlüssen und Glas-Keramik- oder semikristallinen Verschlüssen, wie sie in der elektronischen Packungstechnik bekannt sind. Gewichts%-Zusammensetzungsbereiche sind unten in Tabelle I dargestellt, wo der Gesamtgehalt an allen Oxiden 100% ist. Tabelle I Oxid Breiter Bereich Gewichts-% Bevorzugter Bereich
Andere übliche glasbildende Oxide wie CaO, Bi&sub2;O&sub3;, N&sub2;O, K&sub2;O, Li&sub2;O, CdO und Fe&sub2;O&sub3; können einbezogen werden. Es ist jedoch in vielen Fällen bevorzugt, diese Zusätze nicht zu verwenden, sondern die Glasmatrix vielmehr im wesentlichen nur aus den in obiger Tabelle I dargestellten Zusätzen aufzubauen.
Gemäß vorliegender Erfindung kann ein teilchenförmiger Zusatzstoff mit einem hohen thermischen Expansionskoeffizienten im Vergleich zu dem der Glasmatrix, mit dem oben beschriebenen Bleiborat-Glas gemischt werden, um den thermischen Expansionskoeffizienten der End-Glaszusammensetzung anzupassen, um im Bereich von etwa 140 bis etwa 180 · 10&supmin;&sup7;/ºC (in/in/ºC) zu sein, um mit den CTEs der Metall- oder Legierungsbestandteile, an denen sie befestigt wird, vereinbar zu sein. Das teilchenförmige Material ist bevorzugt Kalziumfluorid oder Bariumfluorid. Diese Materialien haben eine begrenzte Löslichkeit in dem Verschlußglas bei der Temperatur und den Zeiten, die zur Ausführung dieser Erfindung erforderlich sind. Der Zusatzstoff weist Teilchen mit einer Größe zwischen etwa 1 bis etwa 150 um (microns) auf. Bevorzugt haben die Teilchen eine Größe zwischen etwa 10 bis etwa 75 um (microns). Die Teilchengröße ist begrenzt, weil kleinere Teilchen sich während des Verschließverfahrens leichter in dem Glas lösen und verursachen, daß die Verschlußglaszusammensetzung den Vorteil des Zusatzstoffs mit hohem thermischem Expansionskoeffizienten verliert. Umgekehrt, wenn die Teilchen zu groß sind, gibt es eine unzureichende Dispersion der Teilchen und es ist schwierig oder unmöglich, eine hinreichend glatte Oberfläche zu schaffen, um den endgültigen Verschluß durchzuführen. Das Ergebnis ist ein Verlust an Festigkeit wegen der Bildung von Leerstellen zwischen den Grenzflächen der Teilchen. Der Füller oder der Zusatzstoff hat einen maximalen kritischen Volumengehalt von bis zu etwa 60 Volumen% der Glasmatrix, um einem Teilchenzusammenschluß vorzubeugen. Bevorzugt ist der Füller in der Glasmatrix zwischen etwa 15 bis etwa 20 Gewichts% (etwa 30 bis etwa 40 Volumen%) zur Aufbringung auf das Legierungssubstrat. Der Füller in der Glasmatrix hat einen thermischen Expansionskoeffizienten (CTE), der höher ist als der CTE des Glases. Wichtiger noch, der CTE des Füllers muß höher sein als der des Metallsubstrats, an dem er befestigt wird, damit der CTE der Glaszusammensetzung sich dem des Substrats angleichen kann.
Der Kalziumfluoridfüller kann entweder als von Menschen gemachtes, synthetisches Pulver oder als Flußspat, der natürlich vorkommenden mineralischen Version der Verbindung, zugeführt werden. Der Füller wird gemischt mit pulverisiertem Verschlußglas mit einer Korngröße, daß es durch etwa 0,149 mm (100 mesh) oder weniger hindurchgeht, und daß bevorzugt 95% des Glases durch etwa 0,037 mm (400 mesh) oder weniger hindurchgehen. Das Verschlußglas wird typischerweise verwendet, um Packungen bei einer Temperatur zwischen etwa 400ºC bis etwa 450ºC zu verschließen. Der Kalziumfluorid-Zusatzstoff bleibt bei diesen Temperaturen inert, aber benetzbar. Es ist ein kritischer Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß der Füller im wesentlichen unlöslich in der Glasmatrix ist bei den mit der Erfindung verbundenen Betriebszeiten und Temperaturen, so daß die Teilchen intakt bleiben und nicht in dem Glas gelöst werden. Obwohl es wünschenswert ist, daß eine sehr kleine Menge an Füller in der Matrix gelöst wird, ist es im Bereich der vorliegenden Erfindung, daß ein Maximum von weniger als etwa 10 Gewichts% des teilchenförmigen Zusatzstoffs sich in der Glasmatrix löst. Das Erfordernis begrenzter Löslichkeit besteht, weil das beobachtete Anwachsen der thermischen Expansion von einer physikalischen Mischung aus Glas und Füller und nicht von einer Änderung der grundlegenden Glaschemie herrührt.
Flußspat hat einen CTE oberhalb von etwa 220 · 10&supmin;&sup7;/ºC (in/in/ºC). Im Gegensatz dazu ist der CTE von Metallegierungsmaterialien, die hierin zur Verwendung in der elektronischen Packung offenbart sind, beträchtlich niedriger, wie nachfolgend angegeben.
Das Glas kann geringe Anteile an Kupferoxid (CuO) enthalten. Wie durch die in der US- Patentanmeldung Seriennr. 651 987 mit dem Titel "Sealing Glass Composite" dargestellten Daten gezeigt, wurde festgestellt, daß zum Bewirken einer starken Glas-Metall-Bindung mit verbesserter Fähigkeit, thermischen Schocks standzuhalten, die Kupferoxidzugabe zu dem Glas eine wirksame Menge von bis zu etwa 2 Gewichts% ist. Bevorzugt sind Kupferoxid-Zusätze zu dem Glas innerhalb des Bereichs von etwa 0, 1 bis etwa 2 Gewichts%. Das bevorzugte Metall zur Herstellung der Bestandteile der vorliegenden Erfindung ist eine thermisch stabile, glasverschließbare Legierung, wie eine ausscheidungshärtbare Legierung wie die Cu-Ni-Al-Legierung, die offenbart ist im US-Patent Nr. 4 434 016 mit dem Titel "Precipitation Hardenable Copper Alloy and Process", erteilt an Saleh et al. Die Legierung wird hierin für Bezugszwecke als CDA 72 400 bezeichnet. Die Legierung besteht im wesentlichen aus von etwa 10% bis etwa 15% Nickel, von etwa 1% bis etwa 3% Aluminium, bis etwa 1% Mangan, von etwa 0,05% bis weniger als etwa 0,5% Magnesium und der Rest Kupfer. Silizium sollte etwa 0,05% nicht überschreiten, Blei sollte weniger als etwa 0,015% sein, Zink sollte weniger als etwa 0,5% sein, und Phosphor sollte weniger als etwa 0,005% sein. Bevorzugt enthält die Legierung von etwa 11,5% bis etwa 12,5% Nickel, von etwa 1,8% bis etwa 2,3% Aluminium, von etwa 0,1% bis etwa 0,3% Magnesium, von etwa 0,2% bis etwa 0,5% Mangan und der Rest Kupfer. Bevorzugt sollte Silizium etwa 0,005% nicht überschreiten. In einer am meisten bevorzugten Ausführungsform ist das Magnesium weiterhin beschränkt auf einen Bereich von etwa 0, 15% bis etwa 0,25%. Alle Prozentsatz-Zusammensetzungen, die hierin dargelegt wurden, sind Gewichtsprozentsätze. Die Legierung dieser Erfindung kann andere Elemente enthalten, die ihre Eigenschaften nicht ungünstig beeinflussen. Bevorzugt jedoch sind andere Elemente nicht mehr als auf Verunreinigungsniveau enthalten, so daß der Rest der Legierung im wesentlichen Kupfer ist.
CDA 72400 ist eine alterungshärtbare Legierung, die ihre Festigkeit erreicht durch Altern bei einer Temperatur von etwa 400º bis etwa 550ºC für von etwa 4 bis etwa 24 Stunden. Abhängig vom Ausmaß vorangehender Kaltverformung (von etwa 10 bis etwa 40% Reduktion) werden Streckgrenzen im Bereich von etwa 75790 bis etwa 87503 N/cm² (etwa 110 bis etwa 127 ksi) erhalten. Diese Legierung hat einen thermischen Expansionskoeffizienten von zwischen etwa 160 · 10&supmin;&sup7; bis etwa 170 · 10&supmin;&sup7;/ºC (in/in/ºC). Eine hohe Streckgrenze ist besonders wichtig für Leiterrahmen-Anwendungen, wo die Fähigkeit erforderlich ist, Verformungen während der Handhabung zu widerstehen. Eine besonders wichtige Eigenschaft eines CDA 72400-Leiterrahmens ist seine Fähigkeit, seine Festigkeit nach der thermischen Exponierung während des Glasverschließens des Leiterrahmens in die Halbleiterpackung beizubehalten, wie unten beschrieben. Im allgemeinen erfordert das Verschließen eine Temperatur von bis zu etwa 430ºC für etwa 30 Minuten. Es hat keinen ungünstigen Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften der CDA 72400-Legierung, wenn sie für begrenzte Zeit dieser Temperatur und Zeit, die für das Glasverschließen erforderlich ist, ausgesetzt wird. Tatsächlich scheint in den Bereichen, wo der Leiterrahmen gebogen wird, ein kleiner Anstieg in der Streckgrenze zu resultieren. Die verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Erweichen der CDA 72400, verglichen mit anderen Legierungen, die häufig für Halbleiterpackungs-Bestandteile verwendet werden, ist vorteilhaft, weil sie höhere Verarbeitungstemperaturen erlaubt ohne irgendeinen beträchtlichen Verlust an Festigkeit.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Anwendung von CDA 72400 beschränkt, sondern zu ihr gehören ausscheidungshärtbare Legierungssysteme, zu denen Beryllium enthaltende Kupferlegierungen gehören, die durch die folgenden handelsüblichen Legierungen verkörpert werden: CDA 17000; 17200; 17300; 17500; 17600; und 17700.
Eine andere geeignete ausscheidungshärtbare Legierung ist eine Magnesium-Zirkon Chrom-Kupferlegierung wie MZC® von Amex Corporation mit einer nominalen Zusammensetzung von 0,06 Mg, 0,15 Zr, 0,4 Cr und der Rest Kupfer. Auch Nickel-Phosphor enthaltende Kupferlegierungen können geeignet sein. Sie würden typischerweise eine nominale Zusammensetzung von 1,1 Ni, 0,25 P und der Rest Kupfer haben.
Kupfer-Nickel-Zinn-ausscheidungshärtbare Legierungen wie CDA 72500 und die Spinodallegierungen, wie sie im US-Patent Nr. 3 937 638 offenbart sind und von CDA 72 900 verkörpert werden, werden für geeignet gehalten.
Dispersionsgehärtete Kupferlegierungen, verkörpert von den Glidcop®-Materialien, die von Glidden Metals, Inc. hergestellt werden, werden auch für geeignet gehalten. Weiterhin würden austenitische rostfreie Stähle der AISI (American Institute of Steel and Iron) 300 Serie geeignet erscheinen.
Zu Legierungen, die geeignet sind zur Bildung der Halbleiterpackungs-Bestandteile außer dem Leiterrahmen gehören eine Kupferlegierung oder eine Legierung auf Kupferbasis, die eine niedere Oxidationsgeschwindigkeit hat und/oder fähig ist, eine dünne, hitzebeständige Oxidschicht auf mindestens der an dem Verschlußglas befestigten Oberfläche auszubilden. Eine beispielhafte Legierung, die fähig ist, eine hitzebeständige Oxidschicht auszubilden, enthält eine wirksame Menge von bis zu etwa 12% Aluminium und der Rest Kupfer. Bevorzugt besteht die beispielhafte Legierung im wesentlichen aus von etwa 1 bis 10% Aluminium, 0,001 bis 3% Silizium und wahlweise einem kornverfeinernden Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus bis zu 4,5% Eisen, bis zu 1% Chrom, bis zu 0,5% Zirkon, bis zu 1% Kobalt und Mischungen dieser kornverfeinernden Elemente, und der Rest Kupfer. Insbesondere wurde erwiesen, daß CDA Legierung 63800, wie sie in dem Pryor et al. erteilten US-Patent Nr 3 676 292 offenbart ist, geeignet ist. In der Legierung können Verunreinigungen anwesend sein, die die Eigenschaften der Legierung nicht beträchtlich verschlechtern oder das Befestigen in einer gewünschte Ausführungsform verhindern. C63800 hat einen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 170 · 10&supmin;&sup7;/ºC (in/in/ºC). Die oben beschriebenen Legierungen werden durch Kaltverformen gehärtet. Wenn kaltgehärtete Legierungen hohen Temperaturen ausgesetzt werden, haben sie eine relativ schlechte Widerstandsfähigkeit gegen Erweichen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn man diese Metalle mit einer ausscheidungshärtbaren Legierung wie CDA 72400 vergleicht.
Metalle des oben beschriebenen Zusammensetzungsbereichs werden für glasverschließbar gehalten mit einer Bleiborattyp-Glasverschlußmatrix des vorstehend beschriebenen Typs. Das Glas kann allein angewendet werden oder als eine Mischung aus einer Glasmatrix mit niedrigem Schmelzpunkt und einem im wesentlichen unlöslichen Zusatzstoff mit hoher thermischer Expansion wie Kalziumfluorid oder Bariumfluorid.
Die CDA 72400-Legierung kann erfolgreich verwendet werden zur Bildung einer Halbleiterpackung des in Fig. 1 veranschaulichten Typs. Diese Packung weist ein Metallbasiselement 12 auf. Ein Metallgehäuseelement 14 ist auf dem Basiselement angebracht und so geformt, daß es eine hohle Einschließung 16 zur Aufnahme eines elektronischen Bauteils 18 schafft. Ein thermisch stabiler Leiterrahmen 20 aus glasverschließbarer Legierung wird zwischen der Abdeckung 14 und der Basis 12 mittels eines Glases vom Bleiborattyp und Füllers 22, wie vorstehend beschrieben, eingeschlossen. Der Leiterrahmen 20 hat endständige Leiter 24 und 26, die zwischen dem Basis- und Abdeckelement nach außen zu dem Gehäuse 10 vorspringen. Die endständigen Leiter werden glasverschlossen und zwischen dem Basiselement und dem Abdeckelement befestigt, um die elektronische Vorrichtung 18 hermetisch innerhalb des Gehäuses einzuschließen. Die Verschlußschritte erfordern ein Erhitzen der Packungs-Bestandteile auf eine Temperatur von zwischen etwa 400ºC bis etwa 475ºC für eine kumulative Gesamtzeitperiode von etwa 10 bis etwa 60 Minuten, bevorzugt etwa 30 Minuten. Durch Verwenden einer glasverschließbaren, thermisch stabilen Legierung wie ausscheidungshärtbarem CDA 72400 überall in der Halbleiterpackung kann eine verbesserte Festigkeit der Packung erreicht werden. In der Tat kann der Leiterrahmen dadurch, daß er für die erforderliche Zeit den Glasverschlußtemperaturen ausgesetzt wird, wirklich fester werden. Es ist auch im Sinne der vorliegenden Erfindung, den Leiterrahmen aus einer thermisch stabilen, glasverschließbaren Legierung herzustellen und andere Legierungssysteme wie C63800 zu verwenden, um die Abdeckung und/oder die Basis herzustellen, trotz ihrer schlechten Widerstandsfähigkeit gegen Erweichen im Vergleich zu der CDA 72400-Legierung. Eine wichtige Überlegung bei der Auswahl der Legierungen ist, daß jeder der Packungsbestandteile einen vergleichbaren CTE hat. Man erwartet, daß die Metall- oder Legierungsbestandteile einen CTE zwischen etwa 140 · 10&supmin;&sup7; und etwa 180 · 10&supmin;&sup7;/ºC (in/in/ºC) haben werden. Bevorzugt wird der CTE der Bestandteile und der Glaszusammensetzung zwischen etwa 160 · 10&supmin;&sup7; und 170 · 10&supmin;&sup7;/ºC (in/in/ºC) sein. Es ist wesentlich, ein Glas vom Bleiborat-Typ zu verwenden, das formuliert ist, einen vergleichbaren CTE zwischen den Glas- und den Legierungsbestandteilen zu erreichen, was zu hermetischen, mechanisch stabilen Bindungen oder Verschlüssen führt.
Die Gläser vom Bleiborat-Typ haben überlegene Flußeigenschaften auf der Oberfläche der CDA 72400-Legierung. Sie fließen leicht über die Oberfläche des Leiterrahmens, um einen durchgehenden Verschluß, frei von kleinen Löchern, zu schaffen. Durch Ausbilden des Basiselements und des Abdeckelements aus thermisch stabilen Legierungen wie CDA 72400 werden die überlegenen Flußcharakteristika während der Herstellung der Packung vorteilhaft angewendet.
Die Abdeckung und/oder die Basis kann auch aus einem plattierten Material ausgebildet werden, bei dem die innerste Schicht eine wie oben beschriebene glasverschließbare Legierung ist und die äußerste Schicht von der die Halbleitervorrichtung enthaltenden Einschließung aus irgendeinem wünschenswerten Metall oder irgendeiner wünschenswerten Legierung mit Eigenschaften wie hoher Festigkeit und hoher thermischer Leitfähigkeit ausgebildet sein kann.
Die vorliegende Erfindung kann auch vorteilhaft auf eine Halbleiterpackung 30 des in Fig. 2 gezeigten Typs angewendet werden. Diese Packung weist ein Metallbasiselement 32, einen Metallverschlußring 34, eine Metallabdeckung 36 und einen Metalleiterrahmen 38 auf. Der Leiterrahmen 38 ist mittels Glas 40 zwischen dem Ringelement 34 und dem Basiselement 32 eingeschlossen. Nachfolgend zu diesem Schritt kann ein elektronisches Bauteil 44 innerhalb der Einschließung 46 befestigt und durch Drähte 48 elektrisch mit dem Leiterrahmen 38 verbunden werden. Schließlich wird das Abdeckelement 36 durch irgendein gewünschtes Verschlußmittel 48 wie Glas, ein sauerstoffbeständiges Lötmittel oder einen Klebstoff an der oberen Oberfläche des Verschlußrings befestigt. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 kann jeder der Metallbestandteile vorteilhaft aus einer thermisch stabilen, glasverschließbaren Legierung wie CDA 72400 ausgebildet werden. Das Glas 40 ist bevorzugt vom Bleiborat-Typ, modifiziert durch einen Füller zur Anpassung des CTE, daß er verträglich mit dem der Metallbestandteile ist und bevorzugt zu ihm paßt, wie vorstehend beschrieben. Die verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Erweichung der thermisch stabilen Legierung schafft eine hervorragende Bewahrung der mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur, nachdem die Packung für die erforderliche Zeit der Glasverschlußtemperatur unterworfen wurde. Wenn gewünscht, können andere glasverschließbare Legierungssysteme wie C63800 für das Basiselement, Verschlußringelement und die Abdeckung verwendet werden. Weiterhin ist es auch im Sinne der vorliegenden Erfindung, die Abdeckung 36 aus irgendeinem anderen Metall oder irgendeiner anderen Legierung auszubilden, die erfolgreich an dem Verschlußring 34 befestigt werden kann.
Bezugnehmend auf Fig 3 ist dort eine dritte Ausführungsform einer hermetisch verschlossenen Halbleiterpackung 50 veranschaulicht, die einen einzigartigen tri-plattierten Leiterrahmen 52 aufweist. Der Kern 54 des Leiterrahmens 52 ist bevorzugt aus einer thermisch stabilen, glasverschließbaren Legierung wie vorstehend beschrieben, ausgebildet. Diese Legierung ist ausgewählt nach ihrer Fähigkeit, ihre Festigkeit beizubehalten nach der thermischen Exponierung während des Glasverschließens des Leiterrahmens in die Halbleiterpackung, wie nachstehend weiter beschrieben werden wird. Die Legierung hat auch einen CTE, der vereinbar ist mit der Plattierung, den anderen Metallbestandteilen der Packung und dem Verschlußglas. Zusätzlich muß die Legierung glasverschließbar sein, so daß die Kanten des Leiterrahmens, die exponiertes Kernmaterial haben, eine starke Bindung zu dem Verschlußglas ausbilden können. Allgemein ist der minimale Biegeradius abhängig von der Legierungszusammensetzung. Für diese Legierungen werden optimale mechanische Eigenschaften normalerweise durch eine Kombination von Kaltumformung und der Gegenwart einer zweiten Phase erreicht. Wenn das Ausmaß an übriger Kaltverformung steigt, steigt auch der erreichbare minimale Biegeradius. Für eine gegebene Legierung und einen gegebenen Härtegrad ist auch der minimale Biegeradius üblicherweise direkt proportional zur Streifendicke. Da diese Legierungen einen relativ hohen Härtegrad haben, d. h. im Bereich von etwa
75790 bis etwa 87503 N/cm² (etwa 110 bis 127 ksi) wie oben beschrieben, ist es vorteilhaft, einen dünneren Querschnitt zu wählen, um eine schärfere Biegung zu erreichen. Mit CDA 72400, ausgewählt als das Kernmaterial, würde seine Dicke bevorzugt weniger als etwa 0,254 mm (0,010 inches) sein, und die erforderliche Biegung für den Kern würde mehr als etwa die Dicke (t) des Materials sein. Dies ist eine günstige Situation, weil das Legierung 42-Leiterrahmen-Design, das zur Zeit in der Elektronikindustrie für die Leiterrahmen- Anwendung favorisiert wird, eine ein t-Biegung (0,254 mm (0,010 inch) dickes Material hat einen Biegeradius von 0,254 mm (0,010 inch)) erfordert.
Die zwei äußeren Plattierungsschichten 56 und 58 sind bevorzugt aus Kupfermaterialien oder Legierungsmaterialien auf Kupferbasis ausgebildet, die fähig sind, starke Bindungen mit dem Verschlußglas 22' auszubilden. Bezugszeichen mit hochgestellten Strichen bezeichnen Bestandteile, die im wesentlichen identisch sind mit den Bestandteilen, die vorstehend durch die Bezugszeichen ohne hochgestellte Striche bezeichnet werden.
Das Kupfer oder die Legierungen auf Kupferbasis, die ausgewählt sind zur Bildung der Plattierungen 56 und 58, haben eine relativ geringe Oxidationsgeschwindigkeit und eine relativ schlechte Widerstandsfähigkeit gegen Erweichung, wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden, um ihre Formbarkeit zu steigern. Beispiele für diese Typen von Kupfer
oder Legierungen auf Kupferbasis bilden gewöhnlich eine Schicht aus hitzebeständigem Oxid auf ihren exponierten Oberflächen, um das Erfordernis zu erfüllen, daß die Legierung relativ oxidationsbeständig sei. Diese Legierungen können eine wirksame Menge von bis zu etwa 12% Aluminium, Rest Kupfer, enthalten. Bevorzugt wird CDA-Legierung C63800, wie sie in den US-Patenten Nrn. 3 676 292, 3 698 964, 3 730 779 und 3 810 754 beschrieben ist, für geeignet erachtet. Diese Legierungen werden durch Kaltverformen gehärtet.
Wenn kaltgehärtete Legierungen hohen Temperaturen ausgesetzt werden, haben sie eine relativ geringe Widerstandsfähigkeit gegen Erweichen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn man diese Metalle mit einer ausscheidungshärtbaren Legierung wie CDA 72400 vergleicht. Ein Beispiel der Widerstandsfähigkeit gegen Erweichen einer ¼-harten Legierung C63800 wird durch ein Experiment gezeigt, dessen Ergebnisse in Tabelle II unten dargestellt sind. TABELLE II WIDERSTANDSFÄHIGKEIT GEGEN ERWEICHEN* ¼-HARTE LEGIERUNG 638 Temperatur % Verlängerung Umgebung * Jede Probe belassen 30 Min. bei 340ºC + 15 Min. bei Erweichungstemperatur (keine Voroxidation). ** UTS = Zugfestigkeit *** YS = Streckgrenze
Wie in Tabelle II gezeigt, führt eine kurze Exponierung von etwa 15 Minuten unter der geschätzten Spitzenverschlußtemperatur zu einem Abfall der Zugfestigkeit (UTS) um 6890 N/cm² (10 ksi) und einem Abfall der Streckgrenze (YS) um 4823 bis 6890 N/cm² (7-10 ksi). Das Erweichen der Plattierungsmaterialien 56 und 58 durch die Verschlußtemperaturen-Exponierung ist vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung. In einem plattierten Material wird die äußere Faserspannung in einer rechtwinkligen Biegung verringert, wenn sie durch die Dicke der Tri-Plattierung näher an die Mittellinie bewegt wird. Da das weichere Material am weitesten von der Mittellinie entfernt ist, wird es während des Biegeschritts keine Tendenz haben, zu brechen. Weiterhin erlaubt die Plattierungs- Näherung eine festere Biegung mit einem kleineren Krümmungsradius, als anderweitig mit einem härteren Material, wie monolithischem CDA 72400, erreicht werden könnte.
Die äußeren plattierten Schichten können durch irgendeine übliche Technik wie das POSIT-BOND®-Verfahren, wie es in den US-Patenten Nrn. 3 397 045 oder 4 404 264 beschrieben ist, an dem Kern angebracht werden. Bevorzugt sind die äußeren Schichten im Vergleich zum Kern sehr dünn. Zum Beispiel kann jede der äußeren Schichten etwa 25,4 um (1 mil) dick sein, während der Kern etwa 203,2 um (8 mil) dick ist.
Wieder bezugnehmend auf Fig. 3 wird das Verfahren, nach dem das Gehäuse 50 zusammengesetzt wird, beschrieben, um die Wechselwirkung mit den Eigenschaften der verschiedenen Materialien zum Aufbau einer überlegenen Halbleiterpackung besser zu verstehen. Zuerst wird die Verschlußglasmatrix gewogen, gemischt und geschmolzen. Sie wird gefrittet durch Gießen in Wasser oder durch wassergekühlte Walzen. Die getrocknete Fritte wird auf einen Standard von etwa 5% auf einem 0,037 mm (400 mesh) Sieb ohne Rückstand auf einem 0,149 mm (100 mesh) Sieb gemahlen. Ein Füller, üblicherweise Kalziumfluorid, wird gemahlen und mit dem Glas im Verhältnis von etwa 12 bis etwa 20 Teilen Füller pro 100 Teilen Glas gemischt. Das genaue Verhältnis von Füller zu Glasmatrix wird angepaßt, um einen thermischen Expansionskoeffizienten zu ergeben, der mit der Basis, dem Deckel und dem Leiterrahmen vereinbar ist.
Als nächstes werden 100 Teile der Glas-Füller-Mischung mit etwa 2 bis etwa 10 Teilen eines Bindemittels wie Elvacite®, einem Produkt der DuPont Corporation, und mit etwa 25 bis etwa 40 Teilen eines üblichen Verdünnungsmittels wie Terpeneol, gemischt. Das Ergebnis ist eine Paste mit einer Viskosität von näherungsweise 3000 Pa·s (30.000 poises).
Das Material für die Basis, den Verschlußring und den Deckel oder das Abdeckelement wird geschnitten und in die gewünschte Form gebracht. Dann wird es durch übliche Metallreinigungsverfahren gereinigt. Die oben beschriebene Verschlußglaspaste 22' wird auf die Basis 12' und den Deckel 60' in einem üblichen Siebdruck-Verfahren aufgebracht. Dieses Verfahren bringt das Glas in einem vorbestimmten Muster um den Rand der Basis und des Deckels herum an, und läßt unbeschichtete Flächen in der Mitte der Basis, wo später das Plättchen befestigt werden wird. Der beschichtete Deckel und die beschichtete Basis werden dann erhitzt, um das Verdünnungsmittel zu entfernen; dann weiter erhitzt, um das Bindemittel zu entfernen; schließlich noch weiter erhitzt auf eine Temperatur in der Nähe von 380ºC, um die Glas- und Füller-Teilchen auf die Basis und/oder den Verschlußring zu sintern.
Das tri-plattierte Material für den Leiterrahmen 52, wie oben beschrieben, wird vorbereitet und zu dem gewünschten Muster geprägt oder geätzt. Das Material wird dann gereinigt gemäß üblichen Metallreinigungsverfahren. Der Leiterrahmen 52 wird dann oben auf einer glasbeschichteten Basis oder einem Substrat 12' angeordnet, und die Anordnung wird bei einer Temperatur von etwa 400 bis etwa 475ºC für etwa 5 bis etwa 15 Minuten erhitzt. Bei diesem Vorgang fließt die Beschichtung in eine kontinuierliche Glasurmasse 22'. Der Leiterrahmen sinkt in und bindet an die Glasurmasse, so daß Glas um die Öffnungen in dem Leiterrahmen fließt, aber seine obere Oberfläche 66 nicht bedeckt. In diesem Stadium wird ein Plättchen 18' auf irgendeine übliche Weise an der Basis befestigt. Die Anbringung dieses Verschlusses beinhaltet üblicherweise das Erhitzen der Anordnung auf eine Temperatur von etwa 400 bis etwa 450ºC. Leiterdrähte 68 werden nun zwischen dem Plättchen und den inneren Enden des Leiterrahmens befestigt. Die Packung wird schließlich verschlossen durch Anordnen eines beschichteten Deckel- oder Abdeckelements auf der oberen Oberfläche des Leiterrahmens, und durch Erhitzen der Anordnung auf eine Temperatur von etwa 400 bis etwa 475ºC für etwa zusätzliche 5 bis etwa 15 Minuten, um das Glas auf der Abdeckung zu schmelzen und die Packung hermetisch zu verschließen. Da als ein Ergebnis des Befestigens des Leiterrahmens an der Basis Glas über die obere Oberfläche 66 des Leiterrahmens vorspringt, wird zwischen der Glasschicht auf der Abdeckung 60 und dem sich durch die Löcher in dem Leiterrahmen erstreckenden Glas ein Glas-an-Glas-Verschluß bewirkt. Zusätzlich bindet die Glasbeschichtung auf der Abdeckung an die Oberfläche des Leiterrahmens.
Da die Oberfläche 66 eine beträchtliche thermische Exponierung hat, d. h. die Zeit, die erforderlich ist, um den Leiterrahmen in das Glas auf der Basis einsinken zu lassen, und dann die Zeit, die erforderlich ist, um den Leiterrahmen zu erhitzen, so daß die Abdeckung mit der Basis und der Leiterrahmenstruktur glasverschlossen werden kann, ist es sehr wichtig, daß das Oberflächenmaterial des Leiterrahmens eine niedere Oxidationsgeschwindigkeit hat, damit das Glas stark an die Oberflächen anbindet, um leckfreie, hermetische Verschlüsse sicherzustellen. Legierungen, die dünne, kontinuierliche, hitzebeständige Oxidschichten ausbilden wie zum Beispiel CDA 63800, sind wegen ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Oxidation bei dieser Anwendung besonders nützlich. Ein anderer Aspekt der Erfindung ist, daß das Erhitzen der Packung normalerweise kalthärtbare, Kupfer-Leiterrahmen-Legierungen wie CDA 63800, erweicht. Eine relativ weiche Plattierung zu haben, verbessert die Formbarkeit des Leiterrahmens, daß scharfe Biegungen erreicht werden können. Der Kern 54 jedoch, der aus einer thermisch stabilen, glasverschließbaren Legierung gebildet ist, verliert nicht seine Festigkeit, wenn er für die Zeit, die zur Durchführung der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, Verschlußtemperaturen ausgesetzt wird, und der Leiterrahmen behält seine erforderliche Starrheit bei. Der zusammengesetzte Leiterrahmen und die Basis und der Deckel sind bevorzugt aus einem Material aufgebaut, das einen CTE hat, der mit dem des Verschlußglases 22' vereinbar ist. Wie in der Ausführungsform der Fig. 1 sind die Basis 12' und der Deckel 60 bevorzugt aus thermisch stabilen, glasverschießbaren Legierungen wie CDA 72400. Es ist jedoch innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, diese zwei Bestandteile aus anderen Legierungen herzustellen, wie den für die Plattierungen 56 und 58 ausgewählten Typen oder irgendeinem anderen vorstehend erwähnten Typ. Eine wichtige Überlegung bei der Auswahl des Materials und der Geometrie für die Basis und den Deckel ist die Erfordernis, eine starke, starre Packung zu konstruieren, die widerstandsfähig ist gegen Biegung und entsprechendes Brechen der Verschlüsse. Dies kann erreicht werden durch das Vorsehen einer Beschichtung wie vorstehend erwähnt.
Die vorliegende Erfindung kann auch vorteilhaft angewendet werden auf eine Halbleiterpackung 70 des in Fig. 4 gezeigten Typs. Diese Packung weist ein Metallbasiselement 32', einen Metallverschlußring 34', eine Metallabdeckung 36' und einen Metalleiterrahmen 52' auf. Der tri-plattierte Leiterrahmen 52' ist aus einem Kern 54' und äußeren Plattierungen 56' und 58' gebildet. Wie vorstehend erwähnt, ist der Kern bevorzugt aus einer glasverschließbaren, thermisch stabilen Legierung des vorstehend erwähnten Typs; und die Plattierungen sind aus Materialien gebildet, die eine geringe Oxidationsgeschwindigkeit haben und glasverschließbar sind.
Bei dieser Ausführungsform wird die Verschlußglasmatrix gewogen, gemischt und geschmolzen. Sie wird gefrittet durch Gießen in Wasser oder durch wassergekühlte Walzen. Die getrocknete Fritte wird gemahlen auf einen Standard von etwa 5% auf einem 0,037 mm (400 mesh) Sieb ohne Rückstand auf einem 0,149 mm (100 mesh) Sieb. Ein Füller, üblicherweise Kalziumfluorid, wird gemahlen und mit dem Glas im Verhältnis von etwa 12 bis etwa 20 Teilen Füller pro 100 Teilen Glas gemischt. Das genaue Verhältnis von Füller zu Glasmatrix wird eingestellt, um einen thermischen Expansionskoeffizienten zu ergeben, der vereinbar ist mit der Basis, dem Verschlußring, dem Deckel und dem Leiterrahmen.
Als nächstes werden 100 Teile der Glas-Füller-Mischung mit etwa 2 bis etwa 10 Teilen eines Bindemittels wie Elvacite®, einem Produkt der DuPont Corporation, und mit etwa 25 bis etwa 40 Teilen eines Verdünnungsmittels wie Terpeneol gemischt. Das Ergebnis ist eine Paste mit einer Viskosität von näherungsweise 3000 Pa·s (30.000 poises).
Das Material für die Basis, den Verschlußring und den Deckel wird geschnitten und in die gewünschte Form gebracht. Dann wird es nach üblichen Metallreinigungsverfahren gereinigt. Die oben beschriebene Verschlußglaspaste 40 wird nach einem üblichen Siebdruckverfahren an der Basis 32' oder dem Verschlußring 34' angebracht. Dieses Verfahren bringt das Glas in einem vorbestimmten Muster um den Rand der Basis und des Verschlußrings herum an und beläßt unbeschichtete Flächen in der Mitte der Basis oder des Substrats, wo später das Plättchen befestigt werden wird. Der beschichtete Verschlußring und die Basis werden dann erhitzt, um das Verdünnungsmittel zu entfernen; dann weiter erhitzt, um das Bindemittel zu entfernen; schließlich noch weiter erhitzt auf eine Temperatur in der Nähe von 380ºC, um die Glas- und Füllerteilchen an die Basis und/oder den Verschlußring zu sintern.
Das tri-plattierte Material für den Leiterrahmen 52', wie oben beschrieben, wird vorbereitet und in das gewünschte Muster geprägt oder geätzt. Das Material wird dann gemäß üblichen Metallreinigungsverfahren gereinigt. Der Leiterrahmen 52' wird dann oben auf einer glasbeschichteten Basis oder einem glasbeschichteten Substrat 32' angebracht; der Verschlußring 34' wird oben auf dem Leiterrahmen angebracht und die gesamte Anordnung wird bei einer Temperatur von etwa 400 bis etwa 475ºC für etwa 5 bis etwa 15 Minuten erhitzt. Bei diesem Verfahren schmilzt die Beschichtung in eine kontinuierliche Glasurmasse 40' und der Leiterrahmen wird zwischen dem Verschlußring und der Basis eingeschlossen. In diesem Stadium wird ein Plättchen 44 durch irgendein geeignetes Mittel an der Basis befestigt. Die Anbringung dieses Verschlusses beinhaltet üblicherweise ein Erhitzen der Anordnung auf eine Temperatur von etwa 400 bis etwa 475ºC. Leiterdrähte 48' werden nun zwischen dem Plättchen und an inneren Enden des Leiterrahmens befestigt. Schließlich wird ein Bindungsmittel wie Glas, ein sauerstoffbeständiges Lötmittel oder ein Klebstoff oben auf dem Verschlußring und um den Rand des Deckels herum angeordnet. Der Deckel wird oben auf dem Verschlußring angeordnet, und die endgültige Anordnung wird zur Erzeugung einer hermetisch verschlossenen Packung erhitzt. Wie bei der Ausführungsform der Fig. 2 können die Basis, das Verschlußringelement und die Abdeckung aus einer glasverschließbaren, thermisch stabilen Legierung gebildet sein.
Bezugnehmend auf Fig. 5 ist dort eine fünfte Ausführungsform einer hermetisch verschlossenen Halbleiterpackung 80, die einen einzigartigen bi-plattierten Leiterrahmen 82 aufweist, veranschaulicht. Der Kern 54'' des Leiterrahmens 82 ist bevorzugt aus einer thermisch stabilen, glasverschließbaren Legierung, wie vorstehend beschrieben, gebildet. Bezugszeichen mit zwei hochgestellten Strichen bezeichnen Bestandteile, die im wesentlichen identisch sind mit den durch die vorstehend beschriebenen, durch Bezugszeichen ohne Strich bezeichneten, Bestandteile. Die Legierung für den Kern ist ausgewählt nach ihrer Fähigkeit, ihre Festigkeit nach thermischer Exponierung während des Glasverschließens des Leiterrahmens in die Halbleiterpackung beizubehalten, und die Plattierung ist ausgewählt aus einer glasverschließbaren Legierung mit einer geringen Oxidationsgeschwindigkeit. Diese Legierung hat auch einen CTE, der vereinbar ist mit der Plattierung 56'', der Basis 12'', dem Dekkel 60'' und dem Glas 22''. Es ist äußerst wichtig, daß die für die Plattierung 56'' ausgewählte Legierung einen CTE besitzt, der recht nahe dem des Kerns 54'' ist, damit die thermische Exponierung keine Biegung des Leiterrahmens verursacht. Die Halbleiterpackung 80 wird auf die gleiche Weise hergestellt, wie vorstehend im Hinblick auf die Herstellung der in Fig. 3 veranschaulichten Packung 50 beschrieben. Man muß jedoch darauf achten, dafür zu sorgen, daß der Leiterrahmen 82 über der beschichteten Basis mit der Plattierung 56'' auf der äußeren, nicht beglasten Seite angeordnet wird.
Die vorliegende Erfindung kann auch vorteilhaft auf eine Halbleiterpackung 90 des in Fig. 6 gezeigten Typs angewendet werden. Diese Packung weist ein Metallbasiselement 32''', einen Metallverschlußring 34''', eine Metallabdeckung 36''' und einen bi-plattierten Metalleiterrahmen 92 auf. Der bi-plattierte Leiterrahmen 92 ist aus einem Kern 54''' und einer äußeren Plattierung 58''' gebildet. Der Kern ist bevorzugt aus einer glasverschließbaren, thermisch stabilen Legierung des vorstehend erwähnten Typs; und die Plattierung ist gebildet aus einem Material, das eine geringe Oxidationsgeschwindigkeit hat und glasverschließbar ist. Bezugszeichen mit drei Strichen bezeichnen Bestandteile, die im wesentlichen identisch sind mit den vorstehend beschriebenen Bestandteilen, die durch die Bezugszeichen ohne Striche bezeichnet sind. Die Packung 90 ist auf im wesentlichen die gleiche Art aufgebaut, wie im Hinblick auf die in Fig 4 veranschaulichte Ausführungsform 70 beschrieben. Weiterhin ist es auch innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, die plattierte Schicht gegenüber der Basis 32''' anzuordnen, obwohl die Bi-Plattierung dargestellt ist mit der plattierten Schicht 58''' gegenüber dem Verschlußring 34'''.
Es ist offensichtlich, daß gemäß dieser Erfindung eine hermetisch verschlossene Halbleiterpackung zur Verfügung gestellt wurde, die den vorstehend dargelegten Aufgaben, Mitteln und Vorteilen genügt.

Claims

1. Eine Halbleiterpackung (10; 50; 80) aufweisend:

- ein Substratelement (12; 12'; 12'') aus einer ersten Legierung;

- ein Abdeckelement (14; 60; 60'') aus einer zweiten Legierung;

- einen Leiterrahmen (20; 52; 82) aus einer dritten Legierung, der angeordnet ist zwischen dem Substratelement und dem Abdeckelement, wobei die dritte Legierung eine thermisch stabile, glasverschließbare Legierung ist, die bei Temperaturen von weniger als etwa 475ºC für die Zeit, die für das Glasverschließen erforderlich ist, widerstandsfähig gegen Erweichen ist und einen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 140 bis etwa 180 · 10&supmin;&sup7;/ºC hat; und

- ein Verschlußglas mit niederem Schmelzpunkt, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Bleiborat-, Bleizinkborat-, Bleiborosilicat- und Bleizinkborosilicat-Glas, wobei das Verschlußglas einen Zusatzstoff hat, um die thermische Expansion des Verschlußglases zu modifizieren, wodurch die sich ergebende Verschlußglas-Zusammensetzung (22; 22'; 22'') einen thermischen Expansionskoeffizienten hat, der zu den thermischen Expansionskoeffizienten der ersten, zweiten und dritten Legierung paßt, und wobei die Verschlußglas-Zusammensetzung (22; 22'; 22'') angeordnet ist zwischen dem Substratelement (12; 12'; 12'') und dem Abdeckelement (14; 60; 60''), um den Leiterrahmen (20; 52; 82) dazwischen einzuschließen.

2. Ein Halbleiterelement (30; 70; 90) aufweisend:

- ein Substratelement (32; 32'; 32''') aus einer ersten Legierung;

- ein Abdeckelement (36; 36'; 36''') aus einer zweiten Legierung;

- einen Leiterrahmen (38; 52'; 92) aus einer dritten Legierung, wobei die dritte Legierung eine thermisch stabile, glasverschließbare Legierung ist, die bei Temperaturen von weniger als etwa 475ºC für die Zeit, die für das Glasverschließen erforderlich ist, widerstandsfähig gegen Erweichen ist und einen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 140 bis etwa 180 · 10&supmin;&sup7;/ºC hat; und

- ein Verschlußringelement (34; 34'; 34''') aus einer vierten Legierung; wobei der Leiterrahmen (38; 52'; 92) zwischen dem Substratelement (32; 32'; 32''') und dem Verschlußringelement (34; 34'; 34''') angeordnet ist;

- ein Verschlußglas mit niederem Schmelzpunkt, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus einem Bleiborat-, Bleizinkborat-, Bleiborosilicat- und Bieizinkborosilicat-Glas, wobei das Verschlußglas einen Zusatzstoff aufweist, um die thermische Expansion des Verschlußglases zu modifizieren, wodurch die sich ergebende Verschlußglas-Zusammensetzung (40; 40'; 40''') einen thermischen Expansionskoeffizienten hat, der zu den thermischen Expansionskoeffizienten der ersten, dritten und vierten Legierung paßt, und wobei die Verschlußglas-Zusammensetzung (40; 40'; 40''') zwischen dem Substratelement (32; 32'; 32''') und dem Verschlußringelement (34; 34'; 34''') angeordnet ist, um den Leiterrahmen (38; 52';92) dazwischen einzuschließen; und

- eine Einrichtung (49; 49'; 49'''), die das Verschlußringelement (34; 34'; 34''') an das Abdeckelement (36; 36'; 36''') bindet, wodurch die Packung (30; 70; 90) hermetisch verschlossen ist.

3. Die Halbleiterpackung (50; 70; 80; 90) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterrahmen ein plattierter Leiterrahmen (52; 52'; 82; 92) ist mit einer Kernschicht (54; 54'; 54''; 54''') aus der dritten Legierung und einer ersten äußeren Schicht (56; 56'; 56''; 58''') aus einer fünften Legierung, wobei die fünfte Legierung widerstandsfähig gegen Oxidation ist und nicht widerstandsfähig gegen Erweichen ist bei Temperaturen von weniger als etwa 475ºC für die Zeit, die für das Glasverschließen erforderlich ist, und einen thermischen Expansionskoeffizienten hat, der zu dem thermischen Expansionskoeffizienten der dritten Legierung paßt; und wobei die Verschlußglas- Zusammensetzung (22'; 40'; 22''; 40''') mit niederem Schmelzpunkt einen thermischen Expansionskoeffizienten hat, der zu den thermischen Expansionskoeffizienten der ersten, zweiten, dritten und fünften Legierung oder der ersten, dritten, vierten und fünften Legierung paßt.

4. Die Halbleiterpackung (10; 30; 50; 70; 80; 90) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Legierung ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus ausscheidungshärtbaren Kupferlegierungen, einschließlich Beryllium enthaltenden Kupferlegierungen, Magnesium-Zirkon-Chrom enthaltenden Kupferlegierungen, Nickel-Phosphor enthaltenden Kupferlegierungen, Kupfer-Nickel-Zinn-ausscheidungshärtbaren Spinodallegierungen; dispersionsgehärteten Kupferlegierungen und austenitischen rostfreien Stählen.

5. Die Halbleiterpackung (10; 30; 50; 70; 80; 90) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußglas-Zusammensetzung (22; 22', 22''; 40; 40'; 40''') weiterhin einen im wesentlichen ungelösten, teilchenförmigen Zusatzstoff aufweist, um den thermischen Expansionskoeffizienten der sich ergebenden Verschlußglas-Zusammensetzung zu erhöhen, um näherungsweise zu den thermischen Expansionskoeffizienten der ersten, zweiten und dritten Legierung oder der ersten, dritten und vierten Legierung oder der ersten, zweiten, dritten und fünften Legierung oder der ersten, dritten, vierten und fünften Legierung zu passen.

6. Die Halbleiterpackung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Legierung eine Kupferlegierung ist.

7. Die Halbleiterpackung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die fünfte Legierung aus etwa 1 Gew.-% bis etwa 12 Gew.% Aluminium und im wesentlichen Kupfer als Rest besteht.

8. Die Halbleiterpackung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der plattierte Leiterrahmen (52; 52') eine zweite äußere Schicht (58; 58') aus der dritten Legierung besitzt, wodurch die Kernschicht (54; 54') zwischen der ersten (56; 56') und der zweiten (58; 58') äußeren Schicht angeordnet ist.

9. Das Verfahren des Zusammensetzens einer Halbleiterpackung (10; 50; 80), die Schritte aufweisend:

- Bereitstellen eines Substratelements (12; 12'; 12'') aus einer ersten Legierung;

- Bereitstellen eines Abdeckelements (14; 60; 60'') aus einer zweiten Legierung;

- Bereitstellen eines Leiterrahmens (20; 52; 82) aus einer dritten Legierung, wobei die dritte Legierung eine thermisch stabile, glasverschließbare Legierung ist, die bei Temperaturen von weniger als etwa 475ºC für die Zeit, die für das Glasverschließen erforderlich ist, widerstandsfähig gegen Erweichen ist und einen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 140 bis etwa 180 · 10&supmin;&sup7;/ºC hat;

- Bereitstellen einer Verschlußglas-Zusammensetzung (22; 22'; 22'') mit niederem Schmelzpunkt, aufweisend ein Verschlußglas, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Bleiborat-, Bleizinkborat-, Bleiborosilicat- und Bleizinkborosilicat-Glas; und einen Zusatzstoff, um die thermische Expansion des Verschlußglases zu modifizieren, so daß die Verschlußglas- Zusammensetzung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten, zweiten und dritten Legierung paßt;

- Sintern einer Beschichtung aus der Glaszusammensetzung (22; 22'; 22'') auf eine Oberfläche des Substratelements (12; 12'; 12'') und auf eine Oberfläche des Abdeckelements (14; 60; 60'');

- Anordnen einer ersten Oberfläche des Leiterrahmens (20; 52; 82) auf der Oberfläche des Substratelements (12; 12'; 12'') mit der gesinterten Glasbeschichtung;

- Erhitzen der Anordnung des Leiterrahmens und Substratelements, wodurch die Glasbeschichtung in eine kontinuierliche Glasurmasse schmilzt, welche den Leiterrahmen an das Substratelement bindet;

- Anbringen einer Halbleitervorrichtung (18; 18') an dem Substratelement (12; 12'; 12'');

- Befestigen von Leiterdrähten (68) zwischen der Halbleitervorrichtung und dem Leiterrahmen (20; 52; 82);

- Anordnen des Abdeckelements (14; 60; 60'') auf einer zweiten Oberfläche des Leiterrahmens; und

- Erhitzen des Substratelements (12; 12'; 12''), des Leiterrahmens (20; 52; 82) und des Abdeckelements (14; 60; 60''), um die Glasbeschichtung auf dem Abdeckelement zu schmelzen und die Packung (10; 50; 80) hermetisch zu verschließen.

10. Das Verfahren des Zusammensetzens einer Halbleiterpackung (30; 70; 90), die folgenden Schritte aufweisend:

- Bereitstellen eines Substratelements (32; 32',32''') aus einer ersten Legierung;

- Bereitstellen eines Abdeckelements (36; 36'; 36''') aus einer zweiten Legierung;

- Bereitstellen eines Leiterrahmens (38; 52'; 92) aus einer dritten Legierung, wobei die dritte Legierung eine thermisch stabile, glasverschließbare Legierung ist, die bei Temperaturen von weniger als etwa 475ºC für die Zeit, die zum Glasverschließen erforderlich ist, widerstandsfähig gegen Erweichen ist und einen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 140 bis etwa 180 · 10&supmin;&sup7;/ºC hat;

- Bereitstellen eines Verschlußrings (34; 34'; 34''') aus einer vierten Legierung;

- Bereitstellen einer Verschlußglas-Zusammensetzung (40; 40'; 40''') mit niederem Schmelzpunkt, aufweisend ein Verschlußglas, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Bleiborat-, Bleizinkborat-, Bleiborosilicat- und Bleizinkborosilikat-Glas; und einen Zusatzstoff, um die thermische Expansion des Verschlußglases zu modifizieren, so daß die Verschlußglas-Zusammensetzung einen thermischen Expansionskoeffizienten hat, der zu den thermischen Expansionskoeffizienten der ersten, dritten und vierten Legierung paßt;

- Sintern einer Beschichtung aus der Glaszusammensetzung (40; 40'; 40''') auf eine Oberfläche des Substratelements (32; 32'; 32''') und auf eine Oberfläche des Verschlußrings (34; 34'; 34''');

- Anordnen des Leiterrahmens (38; 52'; 92) zwischen der Oberfläche des Substratelements (32; 32'; 32''') und der Oberfläche des Verschlußrings (34; 34'; 34''') mit den gesinterten Glasbeschichtungen;

- Erhitzen der Anordnung des Leiterrahmens (38; 52'; 92), des Substratelements (32; 32'; 32''') und des Verschlußrings (34; 34'; 34'''), wodurch die Glasbeschichtung zu einer kontinuierlichen Glasurmasse schmilzt, die den Leiterrahmen zwischen dem Substratelement und dem Verschlußring bindet;

- Anbringen einer Halbleitervorrichtung (44; 44') an dem Substratelement (32; 32'; 32''');

- Befestigen von Leiterdrähten (48; 48') zwischen der Halbleitervorrichtung (44; 44') und dem Leiterrahmen (38; 52'; 92);

- Anordnen des Abdeckelements (36; 36'; 36''') auf einer zweiten Oberfläche des Verschlußrings (34; 34'; 34'''); und

- Befestigen des Abdeckelements (36; 36'; 36''') an dem Verschlußring 34; 34'; 34'''), um die Packung (30; 70; 90) hermetisch zu verschließen.

11. Das Verfahren des Zusammensetzens einer Halbleiterpackung (50; 70; 80; 90) nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Bereitstellen eines Leiterrahmens, der ein plattierter Leiterrahmen (52; 52'; 82; 92) aus einer Kernschicht (54; 54'; 54''; 54''') aus einer dritten Legierung und einer ersten äußeren Schicht (56; 56'; 56''; 58''') aus einer fünften Legierung ist, wobei die fünfte Legierung widerstandsfähig gegen Oxidation ist und nicht widerstandsfähig gegen Erweichen ist bei Temperaturen von weniger als etwa 475ºC für die Zeit, die für das Glasverschließen erforderlich ist, und einen thermischen Expansionskoeffizienten hat, der zu dem thermischen Expansionskoeffizienten der dritten Legierung paßt;

- Bereitstellen einer Verschlußglas-Zusammensetzung (22'; 40'; 22''; 40''') mit niederem Schmelzpunkt, die einen thermischen Expansionskoeffizienten hat, der zu dem thermischen Expansionskoeffizienten der ersten, zweiten, dritten und fünften Legierung oder der ersten, dritten, vierten und fünften Legierung paßt.

12. Das Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch den Schritt des Anordnens einer ersten Oberfläche der Kernschicht (54; 54'; 54''; 54''') des Leiterrahmens (52; 52'; 82; 92) auf der Oberfläche des Substratelements (12'; 32'; 12''; 32''') mit der gesinterten Glasbeschichtung.

13. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch den Schritt des Auswählens der dritten Legierung aus der Gruppe, die besteht aus ausscheidungshärtbaren Kupferlegierungen, einschließlich Beryllium enthaltenden Kupferlegierungen, Magnesium-Zirkon-Chrom enthaltenden Kupferiegierungen, Nickel-Phosphor enthaltenden Kupferlegierungen, Kupfer-Nickel-Zinn-ausscheidungshärtbaren Spinodallegierungen; dispersionsgehärteten Kupferlegierungen und austenitischen rostfreien Stählen.