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Verfahren zur Herstellung einer in einem Glasgehäuse untergebrachten
Halbleiteranordnung Der Wunsch, Glasgehätise in der Röhren- und seit einiger Zeit
auch in der Halbleiterfertigung zu verwenden, entspricht der Wirtschaftlichkeit
des Glases und der Möglichkeit, durch Glaseinschmelzungen das Halbleitersystem vakuumdicht
abzuschließen. Die schon seit vielen Jahren in der Röhrentechnik zur Anwendung kommende
und daher ausgereifte Glastechnologie kann aber nicht ohne weiteres auf die Halbleiterfertigung
übertragen, werden.
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Bei den üblichen Glaseinschmelzungen entsteht nämlich eine erhebliche
Wärme, die keinesfalls auf die im Gehäuse eingebaute Halbleiteranordnung einwirken
darf. Dies gilt im besonderen Maße für Legierungstransistoren, deren Legierungspillen
schon bei relativ tiefen Temperaturen - z. B. bei Verwendung von Indium als
Legierungsmaterial bei 154' C -
schmelzen.. Der Schmelzpunkt des Glases und
damit die Arbeitstemperatur bei Röhreneinschmelzungen liegt dagegen bei
800' C, einer Temperatur, bei der das Halbleiterelement mit Sicherheit zerstört
werden würde.
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Es sind also besondere Vorkehrungen zu treffen, um die hühen. Temperaturen
von den Halbleiteranordnungen fernzuhalten und damit auch Glaseinkapselunge-n bei
Transistoren zu ermöglichen. Ein bereits bekannter Vorschlag besteht darin, an die
aus dem Glasgehäuse herausführenden'Zuleitungen im Innern des Glasgehäuses Drähte
besonders hohen Wärmewiderstandes anzulöten und diese mit den Halbleiterelektroden
zu verbinden. Auf diese Weise wird die durch die Elektrodenanschlüsse zwischen Glas
und Halbleiterelektroden bestehende Wärmeleitung reduziert. Zur Erhöhung des thermischen
übergangswiderstandes ist aber bei diesem Verfahren noch, eine zusätzliche Einbettung
des Halbleiterkörpers in Silikonfett erforderlich. Die Unterteilung der Elektrodenanschlüsse
in stabile Drähte für die äußere Zuleitung und dünne Drähte für die Zuleitung zu
den Halbleiterelektroden kann jedoch nicht als befriedigende Lösung angesehen werden.
Die Einbettung des Halbleiterkörpers in Silikonfett ist dagegen sogar zu vermeiden,
weil die Halbleiteroberfläche durch das Silikonfett unter Umständen nachteilig beeinflußt
wird.
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Es wurde daher ein Verfahren entwickelt, welches nicht die hohen,
hisher üblichen Temperaturen erfordert und trotzdem den Glasfuß mit dem Glasgehäuse
vakuumdicht und dauerhaft verbindet.
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Zur Herstellung einer in einem Glasgehäuse untergebrachten Halbleiteranordnung
wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß als Glasgehäuse ein Glasrohr solcher
Länge verwendet wird, daß beim Ab-schmelzen ein Glasrohrstück zum Abziehen verbleibt
und die Abschmelzstelle weiter, als durch die geometrischen Abmessungen des Halbleitersystems
erforderlich ' vom Halbleitersystern entfernt ist, und zwar so weit, daß
keine schädlichen thermischen Einwirkungen beim Abschmelzen auf das Halbleitersystem
eintreten, daß die Verbindung zwischen Glasfuß und Glasrohr durch Erwärmung der
Verbindungsstelle auf eine unterhalb des Glaschmelzpunktes liegende Temperatur und
durch gleichzeitige Anwendung von mechanischem Druck hergestellt wird und daß bei
der Verbindung von Glasrohr und Glasfuß durch die noch verbleibende Glasrohröffnung
Kühlgas in das Glasrohr eingeführt wird.
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Die Herstellung der Verbindung zwischen Glasfuß und Glasrohr durch
Erwärmung der Verbindungsstelle auf eine unterhalb des Glasschmelzpunktes liegende
Temperatur und durch gleichzeitige Anwendung von mechanischem Druck ist bereits
bekannt. Soll bei diesem Verfahren das thermisch so empfindliche Halbleitersystem
keinen Schaden erleiden, so. ist die Zuführung von Kühlluft bei der Verschmelzung
von Glassockel und Glasrohr jedoch unerläßlich. Die Kühlluft dient außer der Kühlung
noch dein Zweck, den beim Einschmelzen mittels Gasflammen entstehenden Wasserdampf
und damit die Feuchtigkeit aus dem Glasrohr zu entfernen. Die vorliegende Bemessung
der Gasrohrlänge berücksichtigt nicht nur die Tatsache, daß die Abschmelzstelle
genügenden Abstand vom Halbleitersystem haben muß, sondern führt darüber hinaus
noch zu einer Art Schornsteineffekt, der dadurch zustande kommt, daß durch das oberhalb
der Abschmelzstelle anfänglich verbleibende Glasrohrstück die beim Abschmelzen erwärmte
Luft nach oben steigt und dadurch verhindert, daß dann., wenn keine Kühlluft mehr
zugeführt werden kann, Feuchtigkeit im Glasgehäuse entsteht.
Es
ist zweckmäßig, den Glasfuß so zu dimensionieren, daß der Glasfuß infolge -der Isolationseigenschaften
seiner Glasmasse eine wesentliche Wärmeübertragung auf die Halbleiteranordnung verhindert.
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Beim Zuschmelzen von Glasgehäusen sind zwei Vorgänge zu unterscheiden,
einmal die bereits erwähnte Verbindung zwischen Glasfuß und Glasgehäuse und dann
das Zuschmelzen der zur Einführung von Kühlluft bzw. einer Kühldüse noch verbliebenen
Öffnung des Glasgehäuses.
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Der abschließende Vorgang des Zuschmelzens des Glasgehäuses, im allgemeinen
als eines Glasröhrchens, ist weniger kritisch, da zwischen der Einschmelzzone und
der Halbleiteranordnung keine wärmeleitende Verbindung durch Elektrodenzuleitungen
oder auch durch den Glasfuß besteht. Es kann dabei also mit der üblichen Einschmelztechnik
gearbeitet werden, wenn man ein genügend langes Glasröhrchen nimmt und somit die
Möglichkeit hat, beim Abschmelzen den erforderlichen Abstand von der Halbleiteranordnung
einzuhalten. Es ist aber auch dabei vorteilhaft, durch vorsichtiges Abziehen
des noch verbleibenden Glasrohrreststückes den Vorgang..zu beschleunigen.
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Demgegenüber ist die Herstellung einer Verhindung von Glasfuß und
Glasrohr weitaus 'kritischer, da dabei die Gefahr einer,schädlichen Wärmeeinwirkung
auf das Halbleiterelement besteht. Der Glasfuß ist ein Glaskörper, der auch oft
als Preßteller bezeichnet wird, in, den die KlAtrodenzuleitungen eingeschmolzen
sind. Die Elekirodenzuleitungen. werden noch vor dem hier behandelten Verbindungsvorgang
mit den Halbleiterelektroden, verbunden, so daß mit dem Einbringen des Glasfuß
- es in das Glasrohr und der Verbindung der beiden gleichzeitig die Halbleiteranordnung
im Glasrohrgehäuse untergebracht und befestigt wird. Erst danach wird, wie bereits
erwähnt, das Glasrohr auf der noch offenen. Seite vakuumdicht abgeschlossen.
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Bei der Verbindung zwischen Glasfuß und Glasrohr handelt es sich nicht
um eine Glasverschmelzung im üblichen Sinne, sondern um eine Art Glaspreßverbindung.
Die Arbeitstemperatur liegt dabei erheblich unter dem Schmelzpunkt des Glases, und
eine Verbindung kommt nur unter gleichzeitiger Einwirkung von Druck auf die zu verhindenden
Flächen zustande. Der Glasfuß wird vorzugsweise so ausgebildet, daß er aus einer
relativ großen Glasmasse besteht und so die beim Verbindungsprozeß auf die Verbindungsfläche
einwirkende Wärme weitgehend vom Halbleiterkörper fernhält. Zur Herstellung der
V ' erbindung allein, ohne Rücksicht auf die dabei auftretenden Wärmeprobleine,
würde ein flacher Glasfuß genügen. Zum Schutz der Halbleiteranordnungen vor der
bei der Glaspreßverbindung auftretenden Wärme trägt noch eine Kühlgaszone bei, die
durch Einführung einer Düse in die noch zugängliche Glasrohröffnung erzeugt wird.
Es hat sich auch als vortei Ihaft erwiesen, den Glasfuß konisch auszubilden; das
ist aber nur dann sinnvoll, wenn gleichzeitig das Glasrohr am entsprechenden Rand
aufgebördelt ist und somit auch kanisch verläuft.
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Das Verfahren nach der Erfindung soll an. einem Beispiel näher erläutert
werden.
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Fig. 1 zeigt, wie der Glasfuß 2 in das Glasrohr 6
eingebracht
wird. Mit dem Glasfuß 2 sind schon vorher die Zuleitungen 1 verschmolzen
und danach mit den Halbleiterelektroden verbunden worden. Die Einhaltung der Reihenfolgen
dieser Verfahrensschritte ist wichtig, da so beim Einschmelzen der Zuleitungen
1 in den Glasfuß 2 auf die noch nicht an die Zuleitungen 1 angeschlossene
Halbleiteranordnung 4 keine Rücksicht genommen werden muß. Das Glasrohr
6 ist nach Fig. 1 an seinem oberen Rand 3 aufgebördelt und
dadurch konisch erweitert. Der Glasfuß 2 ist diesem Verlauf angepaßt und ebenfalls
konisch geformt. In Fig. 2 ist das System Glasfuß -Halbleiteranordnung bereits in
das Glasrohr 6 eingebracht, und aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die
Verbindungsfläche zwischen Glasfuß 2 und Glasrohr 6 relativ klein ist, gemessen
an den Abmessungen des Glasfußes 2. Die Größe des Glasfußes 2 richtet sich aber
nicht nur nach den Erfordernissen der Verbindung mit dem Glasrohr 6, sondern
der Glaskörper des Glasfußes 2 wird bewußt so groß ausgelegt, daß bei der Glaspreßverbindung
die Glasmasse des Glasfußes 2 möglichst wenig Wärmeübertragung auf die Halbleiteranordnung
4 zuläßt.
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Wenn nun der Glasfuß 2 in das Glasrohr 6 eingeführt und von
oben an den aufgebördelten Glasrohrabschnitt angedrückt ist, wird zweckmäßig das
zu verschmelzende System in Rotation versetzt und eine oder mehrere Flammen
9 an die Verhindungsflächen herangeführt. Die Heizkraft der herangeführten
Flammen 9 soll so eingestellt sein, daß die zu verbindenden Glasflächen nur
etwa 10OP,0 über 4300%C,t, den Transformationspunkt des Glases, erwärmt werden.
Gleichzeitig wird ein seitlicher Druck auf die Verbindungsflächen durch eine oder
mehrere an den konisch verlaufenden Rohrabschnitt herangeführte Rolle(n)
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ausgeübt. Die Halbleiteranordnung wird vor Wärme nicht nur durch die Glasmasse
des Glasfußes 2 geschützt, sondern gleichzeitig durch die Kühlgaszone einer in die
noch zugängliche GlasrohrÖffnung eingeführten Düse 8. Der Eintritt des Kühlgases
soll mÖglichst vor Einwirkung der Flammen erfolgen, und die Kühlgaszone soll auch
noch nach beendigter Glaspreßverbindung zur Verhinderung nachträglicher Wärmezuleitung
bestehenbleiben.
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Nach Herstellung der Glaspreßverbindung muß das Glasrohr
6 auf der noch offenen Seite verschmolzen werden. Die Schmelzzone muß dabei
so weit von der Halbleiteranordnung entfernt sein, daß eine Wärmeeinwirkung auf
das Halbleiter- und Legierungsmaterial in zulässigen Grenzen bleibt. Das Glasrohr
6 soll in seiner Längenausdehnung so bemessen werden, daß die Glasrohrlänge
die erforderliche Gehäuselänge übersteigt. Unter diesen Umständen ist es nämlich
nach Fig. 3 möglich, mittels eines Greifers 12 den oberhalb der Schmelzzone
liegenden und nicht zur Glaseinkapselung erforderlichen Teil 14 des Glasrohres
6 vom eigentlichen Gehäuse bei entsprechender Temperatur abzuziehen. Das
Abziehen des Glasrohrstückes 14 erfolgt langsam, und dabei ergibt sich als Abschlußfläche
die Kuppe 13. Die Erwärmung der Schmelzzone wird wieder durch eine Flamme
9 vorgenommen, die aber nur in einer schmalen Zone auf das Glasrohr einwirken
soll.
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Erst durch die Einführung des erheblich unter der Schmelztemperatur
des Glases und mit Kühlluft und Druck arbeitenden Glaspreßverfahrens zur Herstellung
einer vakuumdichten Verbindung zwischen dein zur Verhinderung von Wärmeleitung überdiinensionierten
Gla-sfuß und dem Glasgehäuse konnte das Problem der Einkapselung von nicht in irgendwelche
Schutzfette eingebetteten Halbleiteranordnungen in Glasgehäuse befriedigend gelöst
werden. Die Zuschmelzung der dem Glasfuß gegenüberliegenden Glasrohröffnung ist
weniger kritisch, da hierbei keine Zuleitungen in direktem Kontakt mit der Halbleiteranordnung
stehen
und eine von der Schmelzzone ausgehende Wärmeleitung nur über die die Halbleiteranordnung
umgebende Atmosphäre möglich ist. Das vorliegende Verfahren läßt sich weitgehend
automatisch durchführen mit Anordnungen, die selbsttätig das Einführen des Glasfußes
in das Glasgehäuse, das Einschwenken der Flammen und der zur Ausübung von seitlichem
Druck erforderlichen Rollen und die noch weiterhin erforderlichen Maßnahmen ausführen.