DE1085264B

DE1085264B - Method for producing a semiconductor device accommodated in a glass housing

Info

Publication number: DE1085264B
Application number: DET15433A
Authority: DE
Inventors: Walter Klossika; Alfred Bauer; Gottlieb Mueller
Original assignee: Telefunken AG
Current assignee: Telefunken AG
Priority date: 1958-07-26
Filing date: 1958-07-26
Publication date: 1960-07-14

Description

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.Method of manufacturing a housed in a glass case Semiconductor device The desire to have glass housings in the tube and for some time Also to be used in semiconductor production corresponds to economic efficiency of the glass and the possibility of making the semiconductor system vacuum-tight by means of glass fusing complete. The one that has been used in tube technology for many years and therefore mature glass technology cannot easily be applied to semiconductor manufacturing be transmitted.

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.In the case of the usual glass seals, a considerable amount of heat is generated, which under no circumstances must act on the semiconductor arrangement built into the housing. This is particularly true for alloy transistors, the alloy pills of which even at relatively low temperatures - z. B. when using indium as an alloy material at 154 ° C - melt. The melting point of the glass and thus the working temperature for tube meltdowns, however, is 800 ° C, a temperature at which the semiconductor element would be destroyed with certainty.

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.So special precautions have to be taken in order to avoid the heights. Temperatures to keep away from the semiconductor arrangements and thus also glass encapsulation Enable transistors. A well-known suggestion is to contact the wires leading out of the glass housing inside the glass housing particularly high thermal resistance and solder this to the semiconductor electrodes connect to. In this way the through the electrode connections between glass and semiconductor electrodes reduce existing heat conduction. To increase the thermal With this method, there is still contact resistance, an additional embedding of the semiconductor body in silicone grease is required. The division of the electrode connections into sturdy wires for the outer lead and thin wires for the lead too however, the semiconductor electrodes cannot be regarded as a satisfactory solution. Embedding the semiconductor body in silicone grease, on the other hand, should even be avoided. because the semiconductor surface may be adversely affected by the silicone grease will.

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.A process has therefore been developed that does not meet the high, Requires the usual temperatures and still requires the glass base with the glass housing vacuum-tight and permanently connects.

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.For the production of a semiconductor arrangement accommodated in a glass housing, it is proposed according to the invention that a glass tube of such length is used as the glass housing that a piece of glass tube remains to be pulled off when melting and the melting point is wider than required by the geometric dimensions of the semiconductor system ' from the semiconductor system is removed, namely so far that no harmful thermal effects occur when melting on the semiconductor system, that the connection between the glass base and glass tube is made by heating the connection point to a temperature below the melting point of the glass and by simultaneously applying mechanical pressure and that at the connection of the glass tube and the glass base, cooling gas is introduced into the glass tube through the remaining glass tube opening.

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.Establishing the connection between the glass base and the glass tube Heating of the connection point to a point below the melting point of the glass Temperature and by simultaneous application of mechanical pressure is already known. This is what the thermally sensitive semiconductor system is supposed to do with this process suffer no harm so. is the supply of cooling air during the fusion of the glass base and glass tube, however, is essential. In addition to cooling, the cooling air is used nor your purpose, the water vapor created when melting down by means of gas flames and thus to remove the moisture from the glass tube. The present design the gas pipe length takes into account not only the fact that the melting point must have sufficient distance from the semiconductor system, but leads beyond it still to a kind of chimney effect, which comes about because of the above The piece of glass tube initially remaining at the melting point, which was heated during melting Air rises to the top and prevents that then. When no more cooling air can be supplied, moisture is created in the glass housing. It It is advisable to dimension the glass base so that the glass base as a result of the insulation properties its glass mass prevents significant heat transfer to the semiconductor device.

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.When melting glass housings, a distinction must be made between two processes: once the already mentioned connection between the glass base and glass housing and then the melting of the remaining for the introduction of cooling air or a cooling nozzle Opening the glass case.

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.The final process of melting the glass housing, generally as a glass tube, is less critical, since there is no thermally conductive connection between the melting zone and the semiconductor arrangement through electrode leads or through the glass base. The usual melting technique can be used if one takes a sufficiently long glass tube and thus has the possibility of maintaining the required distance from the semiconductor arrangement during melting. However, it is also advantageous to accelerate the process by carefully pulling off the remaining piece of glass tube.

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.In contrast, the production of a connection between the glass base and the glass tube is far more critical, since there is the risk of a harmful effect of heat on the semiconductor element. The glass base is a glass body, which is also often referred to as a press plate, into which the KlAtrode supply lines are melted. The Elekirodenzuleitungen. are treated here even before the connecting operation with the semiconductor electrodes, connected so that with the introduction of the stem - it is in the glass tube and the connection of the two simultaneously placed, the semiconductor device in the glass tube housing and fixed. Only then, as already mentioned, is the glass tube on the still open. Side closed vacuum-tight.

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.The connection between the glass base and the glass tube is not a glass fusion in the usual sense, but a kind of pressed glass connection. The working temperature is considerably below the melting point of the glass, and a connection is only made when pressure is exerted on the surfaces to be prevented. The glass base is preferably designed in such a way that it consists of a relatively large glass mass and thus largely keeps away from the semiconductor body the heat acting on the connection surface during the connection process. To prepare the Getting Connected 'alone, without regard to the occurring Wärmeprobleine, a flat glass base would suffice. A cooling gas zone, which is created by inserting a nozzle into the still accessible glass tube opening, also helps to protect the semiconductor arrangements from the heat occurring during the pressed glass connection. It has also proven to be advantageous to make the base of the glass conical; However, this only makes sense if the glass tube is flared at the corresponding edge at the same time and thus also runs Kanisch.

Das Verfahren nach der Erfindung soll an. einem Beispiel näher erläutert werden.The method according to the invention is intended to. an example explained in more detail will.

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. 1 shows how the glass base 2 is introduced into the glass tube 6 . The leads 1 have already been fused to the glass base 2 and then connected to the semiconductor electrodes. It is important to adhere to the sequence of these process steps, since when the supply lines 1 are melted into the glass base 2, the semiconductor arrangement 4 which is not yet connected to the supply lines 1 does not have to be taken into account. According to FIG. 1, the glass tube 6 is flared at its upper edge 3 and thereby widened conically. The glass base 2 is adapted to this course and also shaped conically. In Fig. 2, the glass base-semiconductor arrangement system is already introduced into the glass tube 6 , and it can be seen from this figure that the connecting surface between the glass base 2 and glass tube 6 is relatively small, measured against the dimensions of the glass base 2. The size of the glass base 2 but not only depends on the requirements of the connection with the glass tube 6, but the glass body of the glass base 2 is deliberately designed so large that the glass mass of the glass base 2 allows as little heat transfer to the semiconductor device 4 as possible.

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) 7 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.When the glass base 2 is now inserted into the glass tube 6 and pressed from above onto the flanged glass tube section, the system to be fused is expediently set in rotation and one or more flames 9 are brought up to the prevention surfaces. The heating power of the introduced flames 9 should be adjusted so that the glass surfaces to be connected are only heated to about 10OP, 0 above 4300% C, t, the transformation point of the glass. At the same time, a lateral pressure is exerted on the connecting surfaces by one or more roller (s) 7 brought up to the conical pipe section. The semiconductor arrangement is protected from heat not only by the glass mass of the glass base 2, but at the same time by the cooling gas zone of a nozzle 8 inserted into the still accessible glass tube opening Glass press connection to prevent subsequent heat supply remain.

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.After the glass press connection has been made, the glass tube 6 must be fused on the side that is still open. The melting zone must be so far away from the semiconductor arrangement that the effect of heat on the semiconductor and alloy material remains within permissible limits. The length of the glass tube 6 should be dimensioned so that the length of the glass tube exceeds the required length of the housing. Under these circumstances it is namely possible according to FIG. 3 , by means of a gripper 12, to pull the part 14 of the glass tube 6 located above the melting zone and not required for glass encapsulation from the actual housing at a corresponding temperature. The pulling off of the piece of glass tube 14 takes place slowly, resulting in the dome 13 as the end surface. The melting zone is again heated by a flame 9 which, however, should only act on the glass tube in a narrow zone.

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.Only through the introduction of the significantly below the melting temperature the glass and with cooling air and pressure working glass pressing process for the production a vacuum-tight connection between the oversized ones to prevent heat conduction Glass base and the glass case could not solve the problem of encapsulation in any Protective grease embedded semiconductor arrangements in glass housing solved satisfactorily will. The sealing of the glass tube opening opposite the glass base is less critical, since there are no leads in direct contact with the semiconductor arrangement stand and heat conduction emanating from the melting zone only via the semiconductor arrangement surrounding atmosphere is possible. The present process can be largely perform automatically with arrangements that automatically insert the glass base in the glass case, the pivoting of the flames and the exercise from the side Take the required rolls and actions that you still need to print.

Claims

PATENT CLAIM: 1. A method for producing a semiconductor device housed in a glass package, characterized in that a glass tube of such length is used as the glass housing that a piece of glass tube remains to be pulled off during melting and the melting point is wider than required by the geometric dimensions of the semiconductor system , is removed from the semiconductor system, to the extent that no harmful thermal effects occur on the semiconductor system when it melts, that the connection between the glass base and the glass tube is achieved by heating the junction point to a temperature below the melting point of the glass and by simultaneously applying mechanical pressure is produced and that when the glass tube and glass base are connected, cooling gas is introduced into the glass tube through the remaining glass tube opening.

2. The method according to claim 1, characterized in that a glass base is used which has so much glass mass that a substantial heat transfer of the heat occurring in the connection process to the semiconductor device is avoided. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the connection of the glass base and glass tube is made at about 500 ° C. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the glass base is conically shaped at least at the connection point with the glass tube and the necessary funnel-shaped extension of the glass tube is matched to the conical course of the glass base. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that only part of the lateral surface of the glass base is connected to the glass housing. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a cooling nozzle is introduced into the remaining opening of the glass housing and that the cooling gas is introduced through this into the interior of the glass housing. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the cooling gas is dried and supercooled prior to introduction into the interior of the glass housing. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that air, nitrogen or oxygen is used as the cooling gas. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the connection of glass tube and glass base is made at about 530 ° C. Considered publications: German utility model No. 1 764 699; German patent application N 1484 VIII c / 21 g (known genia, cht on April 26 , 195 1); USA. Pat. No. 2,790,941.