DE1083439B - Verfahren zur Herstellung gekapselter Halbleiteranordnungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung gekapselter Halbleiteranordnungen, wie Flächengleichrichter mit p-n-Übergang, z. B. auf der Basis eines Halbleiters aus Silizium.

Für gekapselte Halbleiteranordnungen in Form von Spitzengleichrichtern ist es bekannt, sie in Glasbehälter einzuschließen, indem von einem Glasrohr ausgegangen wird, an welchem nach dem Einsetzen, dem Gegeneinanderführen und dem Halten der zusammenwirkenden Teile in der betriebsmäßigen Lage durch äußere Hilfsvorrichtungen die Zuleitungen zu den Elektroden des Gleichrichtersystems durch einen besonderen Warmverschlußprozeß an den Enden des Glasrohres in dessen Körper eingeschmolzen werden. Hierbei waren besondere Maßnahmen zu treffen, damit durch den Wärmebehandlungsprozeß keine Nachteile für die Elemente der Gleichrichteranordnung und die Gewährleistung der späteren einwandfreien Arbeitsweise der letzteren, insbesondere auch durch die entstehenden Wärmedehnungen und den anschließenden Abkühlprozeß, entstehen konnten.

Es ist ferner bei Spitzengleichrichtern bekannt, das Gleichrichtersystem aus den einander, räumlich zugeordneten Teilen in eine aushärtbare Gießharzmasse einzuschließen, die noch von einem besonderen Metallbecher umschlossen sein kann, die gegebenenfalls die Funktion eines elektrostatischen Schirmes übernehmen kann.

Bei einer solchen Anordnung ist es schwer, die Durchführungsstellen der elektrischen Zuleitungen durch die Isoliermasse dicht zu gestalten und betriebsmäßig in diesem einwandfreien Zustand zu erhalten. Bei dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung gekapselter Halbleiteranordnungen, wie Flächengleichrichter mit p-n-Übergang, werden gemäß der Erfrndung die einzelnen Elemente eines Halbleiterzellensystemaufbaues in einer Hilfsform einander räumlich in ihrer entsprechenden Lage zugeordnet, dann diese einander zugeordneten Teile von einer körnigen Glasfüllung umgeben, und anschließend wird ein solcher thermischer Behandlungsprozeß an den in die Hilfsform eingeschlossenen Teilen durchgeführt, durch den zugleich der Legierungsprozeß zwischen den Teilen der Halbleiterzelle einschließlich ihrer Anschlüsse und der Sinterungsprozeß der die Kapsel der Zellenanordnung bildenden Glasmasse erfolgt.

Die Erfindung hat hierbei die Erkenntnis zur Grundlage, daß ein sehr vorteilhaftes technisches und schnell durchführbares Fertigungsverfahren für solche Halbleiteranordnungen erreicht wird, wenn unter gleichzeitiger Ausnutzung einer notwendigen thermischen Behandlung bestimmten Temperaturwertes unmittelbar sowohl die Fertigung des eigentlichen Gleichrichterelementes als auch seine Kapselung durch-Verfahren zur Herstellung
gekapselter Halbleiteranordnungen

Anmelder:

Siemens-Sdiuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Karl Heinz Geyer, Berlin-Spandau,
ist als Erfinder genannt worden

geführt werden. Eine bereits fertiggestellte Gleichrichteranordnung braucht somit für die Zwecke ihrer Kapselung nicht nochmals einer besonderen thermischen Behandlung unterworfen zu werden, die insbesondere eventuell zu Nachteilen für die Gleichrichteranordnung führen könnte. Ferner läßt die Anwendung einer zunächst körnigen Glasmasse zur Bildung der Kapselung einen kompakten Einschluß der Elemente der Gleichrichteranordnung zu, ferner erlaubt der Kapselungswerkstoff die Anwendung betriebsmäßig praktisch beliebiger Temperaturen, und schließlich gewährleistet eine Kapselung aus der angegebenen Masse, daß einwandfrei dichte Stellen zwischen den Zuleitungen und dem Gehäusekörper hergestellt werden können, die auch als solche beständig sind.

Die Hilfsform kann z. B. aus Graphit bestehen. Nach dem Einsetzen der Teile in diese Hilfsform und dem Einfüllen der körnigen Glasmasse bis zu einer gewissen entsprechenden Höhe, wie sie durch die Form der zu erzeugenden späteren Kapselung bestimmt ist, kann die obere Endfläche dieser Füllung nunmehr mechanisch belastet werden, ebenso wie auch die Teile des eigentlichen Gleichrichterelementeaufbaues mechanisch "belastet werden können. Die Belastung der Glaskörper kann z. B. unmittelbar durch einen Abschlußkörper der genannten Hilfsform erfolgen. Anschließend wird der thermische Behandlungsprozeß an den in die Hilfsform eingeschlossenen Teilen in einer Beheizungseinrichtung vorzugsweise im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt.

Um unerwünschte mechanische Spannungen zwischen der Kapsel und den elektrischen Zuleitungen zu dem Halbleiterelement auszuschließen, welche zu der

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Entstehung von Undichtigkeiten Anlaß geben können, kann es sich als zweckmäßig erweisen, die Werkstoffe der Zuleitungen in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten in Anpassung an denjenigen des Sinterglaskörpers zu wählen. So können die elektrischen An-Schlußleitungen bzw. Anschltißkörper z. B. aus Molybdän oder einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung hergestellt werden. Handelt es sich um dünnere Drähte, welche als Anschlußleitungen für das Halbleiterelement benutzt werden, so kann beispielsweise ein sogenannter Kupfermanteldraht benutzt werden. Dieser Kupfermanteldraht hat gewöhnlich einen Kern aus einer Eisen-Nickel-Legierung und einen Außenmantel, der aus Kupfer besteht. Das Kernmaterial genügt dann unter rein mechanischen Gesichtspunkten der Bedingung, daß der Körper des Anschlußdrahtes dem Ausdehnungskoeffizienten der Glasmasse angepaßt ist, während der Kupfermantelüberzug die Aufgabe erfüllt, daß er, abgesehen von der guten elektrischen Leitfähigkeit, die er hat, gleichzeitig ermöglicht, an seiner Oberfläche leicht eine dünne Oxydschicht zu bilden, welche bekanntermaßen die Herstellung einer dichten Verbindung zwischen einem Metallkörper und einem Glaskörper fördert.

Um irgendwelche unmittelbaren Einwirkungen der Glaskapsel auf den Gleichrichtersystemaufbau bei der Durchführung des thermischen Prozesses auszuschließen, kann es sich als zweckmäßig erweisen, den Halbleiterelementesystemaufbau derart in eine besondere Schutzhülse, z. B. aus keramischem Material, einzuschließen, daß die Glasmasse bei der Durchführung des Sinterungsprozesses keinen Zutritt insbesondere z. B. zu dem bzw. einem p-n-Übergang an dem Halbleiterelement findet. Die Anwendung keramischen Materials für eine solche Hülse ist günstig, weil Keramik und Glas in den Werten ihrer Ausdehungskoeffizienten leicht einander angepaßt werden können, so daß auf diese Weise wieder dem Auftreten irgendwelcher unerwünschter mechanischer Spannungen in dem System vorgebeugt werden kann, die sich gegebenenfalls bereits bei dem Erstarren der Teile nach dem thermischen Prozeß bzw. gegebenenfalls auch betriebsmäßig noch nachteilig auswirken können.

Der Aufbau eines Halbleiterelementes kann bei dem vorliegenden Verfahren derart gewählt werden, daß mindestens der eine Anschlußleiter des Halbleiterelementes zugleich derart mechanisch stabil und starr ist, daß er unmittelbar geeignet ist, einen mechanischen Träger des Halbleiterelementes zu bilden, welcher für die Befestigung an einem anderen Geräteteil bzw. in einem Gestell geeignet ist. Dieser Körper besteht also z. B. aus einem entsprechenden massiven Bolzen. Dieser Körper kann dabei z. B. gegebenenfalls entweder an seiner äußeren Mantelfläche oder in einer besonderen Bohrung bereits mit einem Gewinde versehen sein. Dieser bolzenartige Teil, dessen Querschnitt auf seiner ganzen Länge auch verschieden gewählt sein kann, kann auch weitgehend über die Funktion eines Trägerkörpers hinaus ausgenutzt werden, und zwar als Träger von entsprechenden, auf ihn aufschiebbaren bzw. an ihm zu befestigenden Kühlflossen, über welche die betriebsmäßig an dem Halbleiterelement anfallende elektrische Verlustwärme dann in wirksamer Weise abgeführt werden kann. So können beispielsweise, wenn der Anschlußkörper zylindrische oder vieleckige Querschnittsform hat, auf seine Mantelfläche Kühlrippenkörper aufgeschoben werden oder Kühlplatten, die einen entsprechenden Durchzug an einer Aussparung aufweisen, mittels dessen die einzelne Platte auf den Anschlußleiter aufgeschoben werden kann und an diesem unmittelbar seinen Sitz findet.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.

In der Fig. 1 ist eine Hilfsform z. B. aus Graphit im Schnitt dargestellt, welche aus den beiden Teilen 1 und 2 besteht. Der Formenkörper 1 ist mit einer zentralen Aussparung versehen, in welcher ein Körper 3 eingesetzt ist. Dieser Körper kann z. B. aus einem Molybdänstab bestehen, der an seinem oberen Ende mit einer Aussparung 3 α versehen ist, in welche z. B. die Teile einer Siliziumgleichrichterzelle eingesetzt werden. Der Aufbau dieser Gleichrichterzelle besteht beispielsweise von unten nach oben, abgesehen von der Molybdängrundplatte, welche bei dieser Ausführung bereits unmittelbar der Molybdänstab 3 bildet, aus einer auf diesen aufgelegten Aluminiumfolie 4 als Dotierungsstoff der einen Leitungsart für den Halbleiterkörper, einer Siliziumkristallplatte 5, einer Gold-Antimon-Folie 6 zur Bildung des Dotierungsmaterials der anderen Leitungsart für den Halbleiterkörper, einem Stück Wolfram 7 und schließlich einem Anschlußdraht aus Molybdän oder Kovar 8. Dieser Draht ist durch eine zentrale Aussparung des Formenteiles 2 durchgeführt. Auf das obere Ende des Drahtes ist ein Körper 9 mit einer Bohrung aufgesetzt. Dieser Körper hat die Zweckbestimmung, ein Gewicht zu bilden, durch welches die Elemente des Gleichrichterzellen-Systemaufbaues unter einem gewissen Druck gehalten werden. Dieser übereinandergeschichtete Gleichrichtersystemaufbau ist umschlossen von einer keramischen Hülse 10. Die auf diese Weise gebildete Anordnung ist umschlossen von einer in die Hilfsform 10 eingefüllten körnigen Glasmasse 11. Auf dem oberen Ende der Glasmassefüllung 11 sitzt mit einer unteren Stirnfläche der Teil 2 der Hilfsform auf, so daß er eine gewisse mechanische Belastung für die Glasmassefüllung bildet. Nachdem auf diese Weise die thermisch zu behandelnden Teile einander in der erforderlichen Weise räumlich zugeordnet worden sind, wird die Hilfsform nunmehr zweckmäßig in einen Vakuumofen oder einen Ofen mit einer vorzugsweise inerten Schutzgasatmosphäre gebracht und dann auf die entsprechende Temperatur erhitzt. Diese Erhitzung kann auf verschiedene geeignete Weise stattfinden, insbesondere kann sie in Form einer elektrischen Hochfrequenzerhitzung durchgeführt werden. Während dieses thermischen Behandlungsprozesses sorgt das zwischen die.Gold-Antimon-Folie 6 und den Anschlußdraht aus Molybdän oder Kovar eingefügte Wolframstück dafür, daß keine unmittelbare Legierung zwischen dem Werkstoff des Anschlußdrahtes 8 und der Gold-Antimon-Folie 6 bzw. dem Halbleitereinkristallkörper 5 stattfinden kann. Nachdem durch die thermische Behandlung der Legierungsprozeß zwischen den Teilen des Halbleiterelementes und der Sinterungsprozeß der Glasmasse stattgefunden hat, wird nach Öffnen der Form die mit dem Sinterglaskörper gekapselte fertige Halbleiteranordnung herausgenommen, die dann eine Form hat, wie sie z. B. die Fig. 2 veranschaulicht. In dieser Fig. 2 ist in das freie Ende des Körpers 3 noch ein Anschluß draht Ba eingelötet bzw. eingeschweißt oder eingequetscht, ähnlich dem Anschlußdraht 8, der durch den Sinterglaskörper 11 α von dem Halbleiterelement herausgeführt ist. Auf diesen Körper 3 ist, um das Gleichrichterelement für die Abfuhr einer größeren Verlustwärmemenge geeignet zu machen, noch ein Kühlkörper 12 mit stufenförmig ausladenden Rippen aufgebracht

worden, der in einer, Schnittdarstellung wiedergegeben ist.

In Fig. 3 ist ein Halbleiterelement mit einer etwas abweichenden Form des kapselnden gesinterten Glaskörpers 11 dargestellt, bei der für beide herausgeführten Anschlußleitungen 13 bzw. 14 je ein Kupfermanteldraht benutzt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in Abweichung von der Ausführungsform nach Fig. 2 der keramische Körper 10 a, welcher die Halbleiterzellenanordnung gegenüber dem Sinterglaskörper umschließt, nicht mehr zylindrisch, sondern in Form eines hohlen Konuskörpers ausgeführt. Hierdurch ist es auf einfache Weise möglich, das Halbleiterelement an seiner äußeren Umfangszone abzudecken. Gleichzeitig geht der keramische Körper 10a mit dem oberen Anschlußkörper 13 des Halbleiterelementes eine gegenseitige Führung ein, so daß auf diese Weise wegen des Zusammenwirkens der Spitze des Konus und des Anschlußdrahtes 13 dem Zutritt von Glasmasse in den Hohlraum des Konus vorgebeugt ist. Die innere Fläche des Kegelkörpers 10 a legt sich gegen den Rand der Gleichrichterzelle. Hierdurch setzt sich die Keramikhülse mit ihrem unteren Rand auf jeden Fall nicht unmittelbar nahe der Elektrode der Halbleiterzelle auf deren p-n-Übergang auf, sondern dieser p-n-Übergang ist in einen Hohlraum eingeschlossen, der durch die Halbleiterkörperoberfläche, die Elektrode und die Innenmantelfläche des Keramikkörpers gebildet wird.

Bei der Ausführung eines Halbleiterelementes mit einem starren Bolzen nach der Darstellung gemäß den Fig. 1 und 2 braucht dieser Bolzen nicht vollständig massiv z. B. aus Molybdän zu bestehen. Es genügt auch, wenn der Körper an seiner Oberfläche, insbesondere an der Sitzstelle des Halbleiterelementes oder/und an den Berührungsflächen mit dem Glaskörper, mit einem jeweils geeigneten, entsprechenden Metallüberzug versehen ist. Allerdings muß auch in diesem Fall der Trägerkörper dieses Überzuges aus einem Werkstoff mit einem solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten gewählt werden, daß keine mechanischen Spannungen an den Berührungsflächen zwischen dem Glaskörper bzw. dem Halbleiterelement und dem Anschlußleiterkörper 3 entstehen können.

Als Sinterglas-Grundwerkstoff können z. B. Borsilikatgläser bei Verbindung mit Metallkörpern aus Molybdän oder aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung, bestehend aus 28 bis 29% Nickel, 17 bis 18% Kobalt, unter 0,1% Kohlenstoff, etwa 0,2% Mangan und Rest Eisen, oder Gläser mit noch geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Verbindungen mit Wolfram oder Alkali-Silikat-Gläsern bzw. Bleigläsern bei Verbindungen mit Kupfermanteldraht bzw. Chrom-Eisen-Legierungen verwendet werden.

Allgemein können für die Zwecke des vorliegenden Verfahrens im allgemeinen solche Glassorten benutzt werden, die sonst mit Erfolg für Metallglasverschmelzungen zur Anwendung gelangen.

Um eine gute gegenseitige Haftung zwischen dem Sinterglaskörper und den Anschlußkörpern für eine einwandfrei dichte Kapselung zu erreichen, kann es sich empfehlen, an Stellen der Anschlußleiter, wie z. B. 3 und 8, an bestimmten Stellen eine \^rorverglasung vorzunehmen, wie sie z. B. in Fig. 1 an den Stellen 15 und 16 angedeutet ist. Diese kann z. B. erreicht werden, indem ein Glas einer sehr feinen Körnung in Alkohol aufgeschwemmt und die Anschlußleiter an den entsprechenden Stellen mit einer auf diese Weise geschaffenen Paste bestrichen werden. Diese aufgetragene Paste wird dann getrocknet und die Schichten in einem Ofen, vorzugsweise unter Schutzgas, aufgeschmolzen. An diesen vorzuverglasenden Stellen empfiehlt es sich wieder, auf der Oberfläche vorher eine Oxydschicht zu erzeugen.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung gekapselter Halbleiteranordnungen, wie Flächengleichrichter mit p-n-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Elemente eines Halbleiterzellensystemaufbaues in einer Hilfsform einander räumlich in ihrer entsprechenden Lage zugeordnet werden, dann diese einander zugeordneten Teile von einer körnigen Glasfüllung umgeben werden und anschließend ein solcher thermischer Behandlungsprozeß an den in die Hilfsform eingeschlossenen Teilen durchgeführt wird, durch den zugleich der Legierungsprozeß zwischen den Teilen der Halbleiterzelle einschließlich ihrer Anschlüsse und der Sinterungsprozeß der die Kapsel der Zellenanordnung bildenden Glasmasse*erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Behandlungsprozeß in einem Vakuumofen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Behandlungsprozeß in einem Ofen mit Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Systemaufbau der Halbleiterzelle von einer besonderen keramischen Hülse aus einem Werkstoff mit einem dem Sinterglas ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten umgeben wird, durch welche beim Sinterungsprozeß Glasmasse die elektrisch empfindlichen Teile der Anordnung der Zelle nicht erreichen kann.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß von der Zelle herausgeführteAnschlußleitungenaus Metallkörpern, deren Wärmeausdehnungskoeffizient ähnlich demjenigen der Glasmasse ist, vorgesehen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußleitungen aus Molybdän oder einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung vorgesehen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Anschluß leitungen aus Kupfermanteldraht vorgesehen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Kupfermanteldrähte mit einem Kern aus einer Nickel-Eisen-Legierung und einem Mantelkörper aus Kupfer vorgesehen werden.

9. Verfahren, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupfermanteldrähte vor der Durchführung des Sinterungsprozesses des Glases an der späteren Berührungsstelle zwischen dem Glaskörper und dem Zuleitungsdraht oberflächenoxydiert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der elektrischen Anschlußkörper des Halbleiterelementes unmittelbar aus einem derart massiven starren Körper gebildet wird, daß er für die fertige Halbleiteranordnung zugleich den mechanischen Träger zur Befestigung des Halbleiterelementes in einem

Gerät oder einem Gestell bilden kann und hierfür unmittelbar besonders vorbereitet sein kann.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der als Träger des Halbleiterelementes dienende Anschlußkörper mit einem Gewinde versehen wird, das zur Befestigung der Halbleiteranordnung in einem Gerät oder einem Gestell dient. 9

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß an dem massiven star-

ren elektrischen Anschlußkörper Kühlkörper für die Halbleiteranordnung befestigt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift S 36923 VIII eilig (bekanntgemacht am 16. 8. 1956);

britische Patentschrift Nr. 708 054; Espe—Knoll, »Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik«, Berlin, 1936, S. 329 bis 337.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 530/434 6.