DE931907C - Verfahren zur Herstellung einer Kristallode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kri'stallode, z. B. einer Kristalldiode, deren Umhüllung von einem elektrisch nichtleitenden Schutzgehäuse gebildet wird.

Für das elektrische Verhalten einer Kristallode ist es wesentlich, nach Fertigstellung des Gehäuses den Whisker mit dem Kristall in geeigneter Weise in Berührung zu bringen und anschließend die relative Lage zwischen Whisker und Kristall zu fixieren. Die Art und Weise der Fixierung richtet sich im einzelnen Fall nach dem Material der miteinander zu verbindenden Teile (Gehäusewand, Kristallhalter). Bestehen diese z. B. aus Metall, so empfiehlt es sich, ein geeignetes Lötverfahren zur Anwendung zu bringen.

Da man hierbei die Befürchtung hatte, daß die durch den Lötvorgang bedingte nachträgliche Erhitzung des Systems wieder Veränderungen im Kristall oder an der Aufsatzstelle des Whiskers zur Folge haben könnte, sei es durch größere Temperaturänderungen direkt oder durch thermische Ausdehnungseffekte, war man bei den bekannten Herstellungsverfahren für Kristalloden stets bestrebt, die Wärmezufuhr nur auf den sehr kleinen Bereich, in dem die Fixierung erfolgen sollte, zu lokalisieren. Der Kristall selbst sowie dessen nähere Umgebung (Kristallhalter) wurde vor einer Erwärmung weitgehend zu schützen versucht. Die Beachtung dieser Vorsichtsmaßnahme war für die Ausführungsformen und Herstellungsverfahren der bisher bekanntgewordenen Halbleitersysteme von entscheidender Bedeutung. Insbesondere hat man in diesem Zusammenhang bisher davon abgesehen, die Einlötung des Kristallhalters in das Gehäuse erst

nach erfolgter Fixierung" des Whiskers vorzunehmen, sondern hat im allgemeinen den Whisker bzw. den ihn tragenden Halter als letzten Bauteil mit dem Gehäuse verbunden.

Abb. ι zeigt z. B. eine Kristalldiode bekannter Art im Schnitt, bei welcher die Fixierung der relativen Lage zwischen Whisker und Kristall mittels Lötung erfolgt. Der Gehäuseteil ι des dargestellten Systems besteht aus einer ein Zusammenschmelzen ίο mit Metall zulassenden Glassorte, beispielsweise aus unter dem Handelsnamen bekannten Fernico-Glas, und die beiden an den Enden eingeschobenen Gehäuseteile 2 sind zwei aus unter dem Handelsnamen bekannten Fernico bestehende Metallhülsen, welche in dem Uberlappungsbereich fest mit dem Glas des Mantels i- verschmolzen sind. "Mit- dem Bezugszeichen 3 ist ferner ein Metallstift bezeichnet, welcher an seinem vorderen Ende den Whisker 4 und an seinem hinteren Ende den Zuleitungsdraht 5 trägt, und 6 stellt ebenfalls einen Metallstift dar, an dessen im Gehäuse liegenden Ende der Kristall 7 und an dessen anderem Ende der Zuleitungsdraht 8 befestigt ist. Nachdem der Kriställhalter 6 mittels einer Lötvorrichtung geringer Wärmekapazität an den Stellen 9 mit der Metallhülse 2 verlötet worden ist, wird anschließend durch Verschieben und Verdrehen des Stiftes 3 der Whisker 4 mit dem Kristall 7 in Berührung gebracht. Nach Auffinden einer günstigen Stelle wird auch dieser Stift an den Punkten 10 mit der Metallhülse 2 verlötet und die gewünschte Fixierung hergestellt. Eine solche Ausführungsform gewährleistet infolge ihrer langgestreckten Form, daß die beim Lötvorgang aufgewandte Wärme weitgehend vom Kristall 7 sowie dessen näherer Umgebung ferngehalten wird. Ein wesentlicher Nachteil dieses Systems besteht jedoch darin, daß man, infolge der metallischen Zwischenstücke 2, zur Herstellung des Diodengehäuses auf das sehr kostspielige Fernico-Glas angewiesen ist. Außerdem sind zwei Einschmelzungen und zwei Lötverbindungen, insgesamt also vier Abschlüsse des Gehäuses erforderlich, was einen gewissen Aufwand bedingt.

Bei den bisherigen Herstellungsverfahren für Kristalloden war man also, wie die obigen Ausführungen erkennen lassen, bestrebt, nach erfolgter Einstellung des Whiskers sowohl den Kristall selbst als auch dessen nähere Umgebung vor größeren Wärmeeinwirkungen zu schützen, da man befürchten mußte, daß sich hierdurch die elektrischen Eigenschaften der Kristallode wieder nachteilig verändern würden. Diese Vorsichtsmaßnahme hat sich jedoch nach eingehenden Untersuchungen als Vorurteil erwiesen. Die auf optimalen Wert eingestellten elektrischen Größen verändern sich zwar entsprechend der Eigenleitfähigkeit des Halbleiterkristalls (Germanium, Silizium) bei höherer Temperatur in erheblichem Maße. Es hat sich jedoch ergeben, daß nach Wiederabkühlung die Gleichrichtereigenschaften nicht nur wiederkehren, sondern sich infolge der Wärmebehandlung sogar noch verbessert haben. Letzteres hat wohl seinen Grund in der Tatsache, daß bei der hohen Temperatur störende und die -Gleichrichtereigenschaft behindernde Verunreinigungen sowie Feuchtigkeit, die im Kristall und im Innern des Gehäuses noch enthalten sind, verdampfen und ausgetrieben werden. Außerdem ist zu vermuten, daß durch die Wärmebehandlung noch ein thermischer Formierungsprozeß stattfindet.

Gemäß der Erfindung wird daher vorgeschlagen, zur Herstellung einer Kristallode, z. B. einer Kristalldiode, deren Umhüllung von einem elektrischen nichtleitenden Schutzgehäuse gebildet wird, ein Verfahren zu verwenden, welches sich aus folgenden Schritten zusammensetzt. Zuerst wird der den Halbleiterkristall tragende Kristallhalter in das mit dem Whisker schon fest verbundene Gehäuse eingeführt, darauf wird die Einstellung der für die elektrischen Eigenschaften der Kristallode maßgebenden relativen Lage des Whiskers zum Kristall vorgenommen, und anschließend wird der Kristallhalter durch eine kurzzeitige starke Erhitzung bei einer solchen Temperatur mit dem Gehäuse luftdicht verbunden, insbesondere verlötet, daß die hierbei aufzuwendende Wärme gleichzeitig den Kristall und/oder dessen nähere Umgebung auf solche Temperatur erhitzt, daß in ihm noch vorhandene Verunreinigungen- weitgehend beseitigt werden. Die für den Kristall selbst bisher als go störend angesehene Lötwärme soll also erfindungsgemäß zunächst dazu verwendet werden, die im System noch vorhandenen Verunreinigungen auszutreiben. Unmittelbar auf diesen Prozeß erfolgt dann der luftdichte Abschluß der-Lötstelle durch Festwerden des Lotes. Um bei dem Lötvorgang gleichzeitig eine hinreichende Erwärmung des Kristalls zu gewährleisten, ist es wichtig, daß der Einbau des Kristallhalters in das Gehäuse derart erfolgt, daß sich der Kristall in der Nähe der Lotstelle befindet.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Anwendung der Hochfrequenzerwärmung bzw. -lötung auf das erfindungsgemäße Verfahren erwiesen. Hierdurch gelangt man zu einem wesentlich rascheren Arbeitsverfahren, welches sich insbesondere hervorragend als Fertigungsverfahren für große Stückzahlen eignet.

Die beiden folgenden Abb. 2 und 3 dienen zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und zwar sei an Hand von Abb. 3 die Anwendungsmöglichkeit der Hochfrequenzlötung veranschaulicht, während Abb. 2 die Ansicht einer besonders einfachen Ausführungsform einer Kristallode zeigt, deren Einfachheit im Aufbau sich aus dem neuen Herstellungsverfahren ergibt.

Abb. 2 läßt im wesentlichen zwei Hauptteile erkennen, aus welchen die neue Kristalldiode besteht. Mit Ί ι ist ein das Schutzgehäuse bildender Glaskörper bezeichnet, mit dem in seinem Scheitelpunkt eingeschmolzenen und diesen in Achsrichtung durchstoßenden Zuführungsdraht 12 mit Whisker 13, und 14 stellt den zylinderförmigen, beispielsweise aus Messing bestehenden Kristallhalter dar, der an seinem vorderen Ende den Halbleiterkristall und an seinem hinteren Ende die Zuführungs-

leitung 16 trägt. Bei Verwendung von Hartglas als Gehäusematerial wird als Zuführungsdraht 12 vorzugsweise ein Draht auj Fernico verwendet, während sich bei Weichglas die Verwendung von Kupfermanteldraht empfiehlt. Das Gehäuse 11 besitzt ferner, wie ersichtlich, an seinem vorderen Rand eine wulstartige Verdickung 17, die aus einem aufgetragenen Weichlot, z. B! aus Zinn, besteht. Dieses ist auf einer vorher in das Glas eingebrannten, gegebenenfalls auch noch mit Kupfer überzogenen Silberschicht aufgetragen. In entsprechender Weise ist auch der Kristallhalter 14 verzinnt, was in der Abb. 2 durch die Verdickung 18 der rechten Hälfte des Kristallhalters zum Ausdruck gebracht ist.

Der Halbleiterkristall 15 wird vorzugsweise auf dem Kristallhalter 14 durch Auflöten befestigt. Zu diesem Zweck wird der Kristallhalter an seinem vorderen Ende mit einer kleinen Bohrung 19 ver-■20 sehen, welche zur Aufnahme des Lötmetalls dient. Um bei der später erfolgenden Verlötung des Kristallhalters 14 mit dem Gehäuserand 17 das Wiedererweichen dieser Lötstelle zu verhindern, empfiehlt es sich jedoch, an dieser Stelle ein härteres Lot, z. B. Zink, zu verwenden. Der Kristall 15 selbst wird dabei zweckmäßig zunächst als kleines Kügelchen ausgebildet und nach erfolgter Auflötung an seinem äußeren Teil eben geschliffen.

Nachdem die beiden Hauptteile 11 und 14 der Kristalldiiode durch die vorausgehenden Schritte des Herstellungsverfahrens soweit fertiggestellt sind, erfolgt nunmehr deren Zusammenbau. Dieser wird beispielsweise mittels einer Einrichtung vorgenommen, wie sie in Abb. 3 dargestellt ist. Hier ist mit 20 ein Hochfrequenzwärmegenerator bekannter Art bezeichnet, dessen Hochfrequenzspule 21, wie ersichtlich, außerhalb des Gehäuses in zugänglicher Weise angeordnet ist, und 22 stellt einen Meßoszillographen zur Beobachtung der elektrischen Eigenschaften des Kristallsystems dar. In der Spule 21 ist ferner ein Konzentrator 23 eingeführt, welcher bewirkt, daß sich die sehr starke kurzzeitige Erwärmung nur auf die Lötstelle und die nähere Umgebung des Kristalls beschränkt. Man erkennt den in den Konzentrator eingesetzten Gehäuseteil 11 der Abb. 2 und den an einer verstellbaren Haltevorrichtung 24 befestigten Kristallhalter 14. Durch langsames Herunterschieben der Haltevorrichtung wird der Kristallhalter 14 vorsichtig in das glockenförmige Schutzgehäuse 11 eingeführt und der Kristall mit der Whiskerspitze in Berührung gebracht. Gleichzeitig wird an das System eine Wechselspannung angelegt und die Stromspannungscharakteristik (Gleichrichterkennlinie) auf den Leuchtschirm 25 des Meßoszillographen beobachtet. Durch geringfügiges Verstellen der Haltevorrichtung 24 nach oben oder unten läßt sich die Kurve leicht zwischen zwei vorgegebenen auf den Leuchtschirm aufgezeichneten Toleranzlinien verschieben und so die optimale Einstellung ermitteln. Nachdem der vom Kathodenstrahl gezeichnete Kurvenverlauf den geforderten elektrischen Bedingungen angepaßt ist, wird durch eine Kondensatorentladung formiert und durch eine nochmalige Druckvergrößerung stabilisiert. Dann wird durch Betätigung des Druckknopfes 26 ein hochfrequenter Stromstoß ausgelöst, der während einer kurzen, beispielsweise mittels einer gittergesteuerten Gasentladungsröhre, geregelten Zeitdauer die Hochfrequenzspule 21 durchfließt. Das sich hierbei ausbildende Hochfrequenzfeld bedingt eine kurzzeitige starke Erhitzung des mit Lot überzogenen Gehäuserandes 17 sowie des Kristallhalters 14 und bewirkt hierdurch eine absolut homogene und luftdichte Lötverbindung zwischen dem Gehäuse und dem Kristallhalter. Möglicherweise trotzdem noch in der Lötstelle vorhandene kleinere Poren, durch welche nachträglich wieder Verunreinigungen und Feuchtigkeit in das Innere des Systems eindringen könnten, lassen sich gegebenenfalls durch Überziehen der Lötstelle mit einem geeigneten Lack unwirksam machen.

Gegenüber der Kristalldiode nach Abb. 1 mit zwei Einschmelzungen und zwei Lötverbindungen hat die neue Diode nach Abb. 2 nurmehr eine Ein-Schmelzung und eine Lötstelle aufzuweisen.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Herstellung einer Kristallode, ζ. Β. einer Kristalldiode, deren Umhüllung aus einem elektrischen nichtleitenden Schutzgehäuse besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der den Halbleiterkristall tragende Kristallhalter in das mit dem Whisker bereits fest verbundene Schutzgehäuse eingeführt wird, daß darauf die Einstellung der für die elektrischen Eigenschaften der Kristallode maßgebenden relativen Lage des Whiskers zum Kristall erfolgt und daß anschließend der Kristallhalter durch eine kurzzeitige starke Erhitzung in solcher . Weise mit dem Gehäuse luftdicht verbunden, insbesondere verlötet wird, daß durch die hierbei aufzuwendende Wärme gleichzeitig der Kristall und/oder dessen nähere Umgebung auf eine solche Temperatur erhitzt werden, daß noch vorhandene Verunreinigungen weitgehend beseitigt werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Whisker vor dem Zusammenbau des Systems in das Gehäuse eingeschmolzen wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß des Kristallhalters mit dem Gehäuse und die Fixierung seiner Lage durch Hochfrequenzlötung erfolgt.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines aus Glas bestehenden Schutzgehäuses die Lötstelle vor Aufbringen des Lötmetalls mit einer anderen Metallschicht überzogen wird, vorzugsweise durch Metallisierung.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zusammenbau zunächst der Kristall mit dem Kristallhalter durch einen ersten Lötvorgang und während

   des Zusammenbaues der Kristallhalter mit dem Schutzgehäuse durch einen zweiten Lötvorgang verbunden' werden und daß für den ersten Lötvorgang ein, bei einer höheren Temperatur sdhmelzmdies Lot als für den zweiten Lötvorgang verwendet wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Lötstelle mit einem Lack überzogen wird.
7. 7. Kristallode mit einem Halbleiterkristall, insbesondere aus Germanium oder Silizium, die insbesondere nach einem Verfahren nach Anspruch ι hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem aus Glas oder einem anderen nichtleitenden Werkstoff hergestellten, glocken-. förmig ausgebildeten Gehäuse, dem in die Glocke eingeschmolzenen und sie in Achsrichtung duirclhstoßend'en JVÜiisker und dem in die Öffnung der Glocke eingesetzten und mit dem Glockenrand verlöteten, den Kristall tragenden Kristallhalter besteht.
8. 8. Kristallode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kristall tragende Kristallhalter in einer solchen Lage mit dem Gehäuse verlötet ist, daß sich der Kristall und/oder dessen nähere Umgebung in der Nähe der Lötstelle befindet.

   Angezogene Druckschriften:
   Belgische Patentschrift Nr. 502 229.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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