DE1020121B

DE1020121B - Verfahren zur Herstellung von Halbleitergeraeten kleinster Abmessungen und Vorrichtung zur Ausuebung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1020121B
Application number: DEK24957A
Authority: DE
Inventors: Werner Hoelzemann
Original assignee: Kieler Howaldtswerke AG
Current assignee: Kieler Howaldtswerke AG
Priority date: 1955-02-19
Filing date: 1955-02-19
Publication date: 1957-11-28
Also published as: US2856571A

Description

DEUTSCHES

Die bekannten Halbleitergeräte bestehen aus Dioden oder Transistoren, die entweder aus vielen Einzelteilen gebildet in einem Isolierstoffgehäuse untergebracht sind oder die in Kunststoff eingeschlossen sind, aber infolge fehlender Ausdehnungskompensation und fehlender genauer Druckverhältnisse bei der Formierung oder Verschweißung einen nur kleinen Temperaturbereich und durch die frei liegende Kontaktnadel eine geringe Beschleunigungsfestigkeit zulassen. Die Richtleistung bei den bekannten, in Kunststoff eingeschlossenen Halbleitergeräten ist gering. Eine rationelle Fertigung ist bei diesen Halbleitergeräten kaum möglich. Für viele Anwendungsgebiete, wie z. B. beschleunigungsfeste Subminiaturaggregate für Fernsteuerungen usw. oder für gedruckte Schaltungen, haben sie zu große Abmessungen.

Durch die Erfindung wird die Aufgabe gestellt, beschleunigungsfeste, temperaturreversible Subminiaturhalbleitergeräte zu schaffen und eine wirtschaftliche, serienmäßige Herstellung zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung werden Halbleitergeräte kleinster Abmessungen mit einem Halbleiterplättchen und einer oder mehreren Elektroden, beispielsweise Subminiatordioden, -trioden, -tetroden usw., deren Körper etwa die Form einer Kugel von etwa 2 mm Durchmesser haben und deren Gewicht einschließlich der herausgeführten, je 30 mm langen Anschlußdrähte etwa 0,03 g beträgt und die eine Beschleunigungsfestigkeit von 20 000 g besitzen, hergestellt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, daß ein oder mehrere Anschlußdrähte von etwa 0,25 mm Durchmesser aus einem magnetischen Material, z. B. Nickel, mit ihrem einen Ende etwa 2 mm tief in eine Weichlötpaste getaucht werden und jeder Draht unter Ausnutzung der Klebefähigkeit der Weichlötpaste einen etwa 5 mm langen Kontaktnadeldraht von etwa 0,1 mm Durchmesser aufnimmt, um mit diesem verlötet zu werden, wonach der Kontaktnadeldraht durch eine Verformung für die Ausdehnungskompensation in eine Sichelform gebracht und das Ende der Kontaktnadel schräg abgeschert wird, und daß ein weiterer Anschlußdraht von etwa 0,25 mm Durchmesser mit einem Ende in eine Weichlötpaste eingetaucht wird und daß der Draht unter Ausnutzung der Klebefähigkeit der Weichlötpaste ein Halbleiterplättchen von höchstens 0,25 mm³ aufnimmt und mit diesem verlötet wird, wonach in eine: ^r'
Stellvorrichtung der mit dem Halbleiterplättcl· * .ad der bzw. die mit der Kontaktnadel versehenen Anschlußdrähte so zueinander ausgerichtet werden, daß die Nadelspitzen etwa 1 mm über der Mitte des Halbleiterplättchens liegen und dann die Nadeln mit ihrer Spitze rechtwinklig mit einem gewissen Druck

Verfahren zur Herstellung

von Halbleitergeräten kleinster

Abmessungen und Vorrichtung zur

Ausübung des Verfahrens

Anmelder:

Kieler Howaldtswerke Aktiengesellschaft, Kiel-Gaarden, Werftstr. 114

Werner Hölzemann, Kiel-Kronshagen,
ist als Erfinder genannt worden

auf die Fläche des Halbleiterplättchens gebracht werden, wonach durch einen über die Kontaktnadeln und deren Berührungspunkte mit dem Halbleiterplättchen geleiteten kurzen Wechselstromstoß eine Vorformierung bzw. Verschweißung, je nach Material des Halbleiterplättchens und der Kontaktnadel, erzielt wird und dann die so hergestellte Diode, Triode, Tetrode usw. mit Gießharz aus ungesättigtem Polyester umhüllt und polymerisiert wird, wonach über die Anschluß drahte kleine Stahlspiralen zur Ver-Stärkung an den Ansatzstellen geschoben werden und daran anschließend die auf diese Weise fixierte Diode usw. durch Auftropfen mit einer ersten Schicht Silikonharz versehen wird, die bei einer Temperatur von 200 bis 250° C eingebrannt wird und dann mit weiteren, jeweils gesondert ausgehärteten Silikonharzschichten umhüllt wird, wonach eine Nachformierung· bzw. Verschweißung ähnlich wie die Vorformierung, mit einem Wechselstromstoß, jedoch von längerer Dauer, vorgenommen wird, so daß ein beschleunigungsfestes, in einem großen Temperaturbereich wirkendes, reversibles, vibrationssicheres Halbleitergerät in Miniaturabmessung erzielt wird.

Das Halbleiterplättchen hat etwa die Abmessungen von 0,8 X 0,8 X 0,4 mm und besteht z. B. aus Germanium. Es besitzt eine verkupferte Unterseite, mit der es mit dem Anschlußdraht verbunden wird; der Kontaktnadeldraht besteht je nach den erforderlichen elektrischen Daten aus Chromnickel oder einer Edelmetallegierung.

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Die erwähnte Einstellvorrichtung wird zur genauen Abb. 3 ein fertiges Halbleitergerät im Längsschnitt Erzielung der Lage jeder Kontaktnadel auf dem in vergrößertem Maßstab,

Halbleiterplättchen mit einem Spezialmeßgerät mit Abb. 4 eine Nadelbiegemaschine,

elektronischem Kennlinienschreiber verbunden und Abb. 5 eine Einstellvorrichtung in Vorderansicht,

diese Einstellung mit Hilfe eines stereoskopischen 5 Abb. 6 die zugehörige Seitenansicht,

Mikroskops beobachtet. Abb. 7 ein Transportband mit Einstellvorrichtun-

Zur Beschleunigung der Polymerisation sind Infra- gen und Infrarotstrahlern sowie Mikroskop,

rotröhren vorgesehen. Abb. 8 die dazugehörige Vorderansicht,

Im Rahmen der Erfindung wird die äußere Schicht Abb. 9 einen Drehteller mit Auftropfvorrichtung aus einer elastischen, wasserfesten und zur Kenn- io _und Trockenofen und zeichnung der Typen dienenden farbigen Umhüllung Abb. 10 die dazugehörige Draufsicht, gebildet. Ein Anschlußdraht 1 von 0,25 mm Durchmesser aus Die Ausrichtung zur Ausübung des vorliegenden Nickel mit 3 % Mangan ist durch eine Weichlötpaste Verfahrens besteht aus einer Löteinrichtung aus _mit einem etwa 5 mm langen Draht 2 von 0,1mm einem Aluminiumkolben zur Erhitzung von Weich- 15 Durchmesser verbunden, und dieser Draht ist in eine lötpaste und zum Verlöten einerseits der Kontakt- Sichelform mit einer abgescherten Spitze 3 gebracht, nadel mit dem einen Anschlußdraht und andererseits Das Biegen des Drahtes 2 zu einer Kontaktnadel 4 des Halbleiterplättchens mit dem anderen Anschluß- erfolgt auf einer Nadelbiegemaschine 5, in der der draht. Draht 1 zwischen zwei Klemmbacken 6 und 7 einge-Eine Nadelbiegemaschine mit zwei Klemmbacken 20 spannt wird, so daß der Nadeldraht 2 über ein Formund einem Formwerkzeug zur Erzielung einer Sichel- werkzeug 8 hinwegragt. Eine federnde Nase 9 drückt form der Kontaktnadel ist vorgesehen, und diese mittels des Hebels 10 den Nadeldraht 2 über das Biegemaschine besitzt auch ein Abschermesser zur Formwerkzeug 8 und gibt dem Draht 2 die für die Abschrägung der gebogenen Kontaktnadel. Ein Aus- Ausdehnungskompensation erforderliche Sichelform4. werfer dieser Maschine wirft die fertig gebogene 25 Ein Messer 11 schert den Nadeldraht bei 3 schräg ab. Nadel mit dem Anschlußdraht aus der Biegemaschine Durch einen Auswerfer 12 wird die fertig gebogene heraus. Nadel 4 mit dem Anschlußdraht 1 ausgeworfen. Ein Die Einstellvorrichtung besitzt eine Klemmfeder weiterer Anschlußdraht 13 ist gegebenenfalls an seinem zum Einspannen des Anschlußdrahtes mit dem Halb- abgekröpften Ende mit einem Halbleiterplättchen 14 leiterplättchen und eine verstell- und schwenkbare, 30 von höchstens 0,25 mm³ durch ein Lötverfahren verfedernde Klemmlasche für den Anschlußdraht mit der bunden. Das Halbleiterplättchen besteht beispielsweise Kontaktnadel. Die Einstellvorrichtung ist mit einem aus Germanium und besitzt eine verkupferte Unterstereoskopischen Mikroskop verbunden, um die genaue seite, um eine gute Lötverbindung zu ermöglichen. Einstellung der Kontaktnadel auf dem Halbleiter- In einer Einstellvorrichtung 15, von welcher sich plättchen durchzuführen. Kontaktschrauben und Kon- 35 mehrere auf einem Transportband 28 befinden, wird taktfedern der Einstellvorrichtung dienen zum An- unter die Klemmfeder 16 der auf der linken Seite beschluß eines Spezialmeßgerätes und eines elektroni- findlichen Klemmbacke 17 der Anschlußdraht 13 mit sehen Kennlinienschreibers. Über diese Kontakte wird dem angelöteten Halbleiterplättchen 14 so eingeauch der Wechselstromstoß über die Kontaktnadel klemmt, daß dessen vorbehandelte Oberfläche oben und das Halbleiterplättchen durchgeleitet. 40 liegt. Unter die Klemmfeder 18 der durch die Ein-Eine Gießharz-Zufuhreinrichtung und eine Poly- stellräder 19 und 20 vertikal und axial verstellbaren merisiereinrichtung mit Infrarotröhren zwecks Um- federnden Klemmlasche 21 wird der Anschlußdraht 1 hüllung und Trocknung der Halbleitergeräte sind mit der angelöteten Kontaktnadel 4 so eingeklemmt, weiterhin im Rahmen der Erfindung vorgesehen. daß die Nadelspitze 3 etwa 1 mm über dem Mittel-

Schließlich dient eine Silikonharz-Auftropfvorrich- 45 punkt des Halbleiterplättchens 14 liegt, tung zur Aufbringung von Schichten auf die fixierten Unter Beobachtung mit Hilfe eines stereoskopischen Dioden usw., und diese Schichten werden in einem Mikroskops 29 wird durch die Betätigung der Einstell-Trockenofen einzeln eingebrannt. räder 19 und 20 die Kontaktnadel 4 mit ihrer Spitze 3 Nach der Erfindung ist weiter vorgesehen, um eine rechtwinklig und mit genügendem Druck auf die Serienfertigung der Halbleitergeräte zu ermöglichen, 50 Fläche des Halbleiterplättchens 14 gebracht. Über ein endloses Transportband anzuordnen, welches die Kontaktstifte 30 der Einstellvorrichtung 15 wird mehrere Einstellvorrichtungen, die je auf einer Speck- mittels Kontaktfedern 31, an welchen sich die An-Steinplatte montiert sind, zwecks fortlaufender Ein- Schlußleitungen zum Spezialmeßgerät mit elektronistellung und Polymerisierung aufweist. Das Trans- schem Kennlinienschreiber befinden, die Kontaktnadel portband führt an dem Spezialmeßgerät mit dem elek- 55 mit einem Punkt des Halbleiterplättchens durch einen ironischen Kennzeichenschreiber vorbei und gelangt kurzen Wechselstromstoß bestimmter Stärke und auf seinem Arbeitsweg zu der Gießharz-Zufuhrein- Spannung, je nach Material des Halbleiterplättchens richtung und den oberhalb und unterhalb des Trans- und der Kontaktnadel, vorformiert oder verschweißt, portbandes angeordneten Infrarotröhren. Die fixierten Die eingestellte Diode, Triode od. dgl. wird mit Dioden usw. werden dann auf eine Tellerscheibe ge- 60 Gießharz aus ungesättigtem Polyester umhüllt und bracht, die an der Silikonharz-Auftropfvorrichtung polymerisiert, so daß sich eine Arbeitsfolge: Ent- und einem Trockenofen in mehrfachem Wechsel, je nähme einer fixierten Diode aus der unter dem Mikronach der Schichtenzahl, vorbeiläuft. skop eingerasteten Einstellvorrichtung sowie Einstel-

In der Zeichnung ist das vorliegende Verfahren und len und Umhüllen mit Gießharz, ergibt.

das damit hergestellte Halbleitergerät in Ausf ührungs- 65 Das in der Abb. 3 dargestellte Halbleitergerät be-

beispielen dargestellt, und zwar zeigt sitzt als Umhüllung für die Kontaktnadel 4 und das

Abb. 1 einen mit der Kontaktnadel verbundenen Halbleiterplättchen 14 eine Füllung 22 aus Gießharz.

Anschlußdraht in vergrößertem Maßstab, An den Einführungsstellen der beiden Anschluß-

Abb. 2 einen mit dem Kristall verbundenen An- drähte 1 und 13 sind kleine, aus 0,1mm Stahldraht

schlußdraht in vergrößertem Maßstab, 70 gewickelte Spiralen 24 von etwa 2 mm Länge bis zum

Diodenkörper aufgeschoben, wodurch die Ansatzstellen verstärkt werden. Die Füllung aus Gießharz wird von einer ersten Schicht Silikonharz 23 umhüllt, die in einem Trockenofen bei einer Temperatur von 200 bis 250° C eingebrannt ist. Die Schicht 23 legt bereits die Spiralen 24 fest. Die Spiralen 24 werden dann mit den weiteren, einzeln aufgebrachten und für sich gehärteten Silikonharzschichten 25., 26 und 27 zusätzlich festgelegt.

Nach dem Auftragen und Härten aller Schichten erfolgt eine Nachformierung bzw. Verschweißung durch Durchleitung eines längeren Wechselstromstoßes bestimmter Stärke und Spannung, da nunmehr bei Temperaturunterschieden von —100 bis +150° C die zwecks Aufrechterhaltung günstiger Kontaktverhältnisse erforderlichen Voraussetzungen für eine hinreichende innere Druckkompensation zwischen Nadel und Halbleiterplättchen im Zusammenwirken mit der Ausdehnungsbegrenzung infolge Kontraktionsspannungen der umhüllenden, gehärteten Silikonharzschichten gegeben sind.

Um eine serienmäßige Fertigung zu erzielen, wird ein Transportband 28 vorgesehen, welches mehrere Einstellvorrichtungen 15 trägt. Durch Weiterdrehen des Handrades 32 wird das eingestellte Halbleitergerät mittels des Transportbandes 28 unter die Auftropfvorrichtung 33 gebracht und mit Gießharz aus ungesättigtem Polyester umhüllt, so daß sich die beschriebene Arbeitsfolge ergibt: Entnahme der fixierten Diode aus der unter dem Mikroskop eingerasteten Einstellvorrichtung sowie Einstellen und Umhüllen mit Gießharz. Durch den wiederholten Ablauf dieser Arbeitsfolge werden die Einstellvorrichtungen nacheinander in den Wirkungsbereich der ober- und unterhalb des Transportbandes 28 befindlichen Infrarotstrahler 34 bewegt, wobei das zwecks Fixierung aufgetropfte Gießharz polymerisiert wird.

In der Abb. 7 ist das Transportband 28 dargestellt, und die unter dem Mikroskop 29 eingestellte Diode wird dann unter die Auftropfvorrichtung 33 gebracht, um dann wieder zurückgedreht zu werden und in Pfeilrichtung 40 zu den unteren Infrarotstrahlern 34 zu gelangen. Die Anordnung kann auch so getroffen werden, daß die Auftropfvorrichtung 33 und das Mikroskop 29 vertauscht werden, damit eine Arbeitebewegung des Transportbandes 28 nur in der Pfeilrichtung 40 erfolgt.

Auf einem in einer Säule 45 od. dgl. gelagerten Drehteller 35 ist eine Vielzahl von radial magnetisierten Haltemagnetrollenpaaren derart befestigt, daß je eine Magnetrolle 36 auf einem Innenkreis zur Begrenzung der Längslage eines Halbleitergerätes und je eine Magnetrolle 37 auf einem äußeren Kreis mit einer Mittelkerbe 41 zur Festlegung der Querlage auf die Anschluß drähte eines Halbleitergerätes wirken und letzteres festhalten können. Auf diesen Drehteller 35 werden z. B. die fixierten Dioden nacheinander in entsprechender Anzahl strahlenförmig aufgelegt, und der kugelförmige Teil kommt auf den Drehteller 35 über den Bohrungen 43 zu liegen. Mittels der Auftropfvorrichtung 38 werden die Dioden nacheinander mit einer Silikonharzschicht 23 versehen und durch Weiterdrehen des Drehtellers dem Härteofen 39 zugeführt, worin die Härtung dieser Schicht erfolgt. Nach dem Durchlaufen werden in der gleichen beschriebenen Weise noch drei weitere Silikonharzschichten25,26,27 auf jede Diode einzeln aufgetragen und gehärtet.

Der Antrieb des Transportbandes 28 und des Drehtellers 35 kann über Synchronmotore vorgenommen werden, die gegebenenfalls über Fußkontakte schaltbar sind. Eine Raste 42 kann das Transportband 28 über die Transportbandrolle bzw. deren Welle 43 in den einzelnen Arbeitsstellungen arretieren.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitergeräten kleinster Abmessungen mit einem Halbleiterplättchen und einer oder mehreren Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Anschluß drähte (1) von etwa 0,25 mm Durchmesser aus einem magnetischen Material, z. B. Nickel, mit ihrem einen Ende etwa 2 mm tief in eine Weichlötpaste getaucht werden und jeder Draht unter Ausnutzung der Klebefähigkeit der Weichlötpaste einen etwa 5 mm langen Kontaktnadeldraht (2) von etwa 0,1 mm Durchmesser aufnimmt, um mit diesem verlötet zu werden, wonach der Kontaktnadeldraht durch eine Verformung für die Ausdehnungskompensation in eine Sichelform (4) gebracht wird und das Ende (3) der Kontaktnadel schräg abgeschert wird, und daß ein weiterer Anschlußdraht (13) von etwa 0,25 mm Durchmesser mit einem Ende in eine Weichlötpaste eingetaucht wird und daß der Draht unter Ausnutzung der Klebefähigkeit der Weichlötpaste ein Halbleiterplättchen (14) von höchstens 0,25 mm³ aufnimmt und mit diesem verlötet wird, wonach in einer Einstellvorrichtung (15) der mit dem Halbleiterplättchen (14) und der bzw. die mit der Kontaktnadel (4) versehenen Anschlußdrähte so zueinander ausgerichtet werden, daß die Nadelspitzen (3) etwa 1 mm über der Mitte des Halbleiterplättchens (14) liegen und dann die Nadeln mit ihrer Spitze rechtwinklig mit einem gewissen Druck auf die Fläche des Halbleiterplättchens gebracht werden, wonach durch einen über die Kontaktnadeln und deren Berührungspunkte mit dem Halbleiterplättchen geleiteten kurzen Wechselstromstoß eine Vorformierung bzw. Verschweißung, je nach Material des Halbleiterplättchens und der Kontaktnadel, erzielt wird und dann die so hergestellte Diode, Triode, Tetrode usw. mit Gießharz (22) aus ungesättigtem Polyester umhüllt und polymerisiert wird, wonach über die Anschluß drähte kleine Stahlspiralen (24) zur Verstärkung an den Ansatzstellen geschoben werden und daran anschließend die auf diese Weise fixierte Diode usw. durch Auf tropf en mit einer ersten Schicht Silikonharz (23) versehen wird, die bei einer Temperatur von 200 bis 250° C eingebrannt wird und dann mit weiteren, jeweils gesondert ausgehärteten Silikonharzschichten; (25,26 und 27) umhüllt wird, wonach eine Nachformierung bzw. Verschweißung ähnlich wie die Vorformierung mit einem Wechselstromstoß, jedoch von längerer Dauer, vorgenommen wird, so daß ein beschleunigungsfestes, in einem großen Temperaturbereich wirkendes, reversibles, vibrationssicheres Halbleitergerät in Miniaturabmessung erzielt wird.

2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Löteinrichtung aus einem Aluminiumkolben zur Erhitzung von Weichlötpaste und zum Verlöten einerseits der Kontaktnadel mit dem einen Anschlußdraht und andererseits des Halbleiterplättchens mit dem anderen Anschlußdraht.

3. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nadelbiegemaschine (5) mit zwei Klemmbacken (6, 7) und einem Formwerkzeug (8) zur

Erzielung einer Sichelform der Kontaktnadel (4) versehen ist und ein Abschermesser (11) eine Abschrägung (3) der gebogenen Kontaktnadel durchführt, während ein Auswerfer (12) die fertig gebogene Nadel mit dem Anschluß draht (1) herauswirft.

4. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einstellvorrichtung (15) mit einer Klemmfeder (16) für den Anschlußdraht (13) mit dem Halbleiterplättchen und einer verstell- und schwenkbaren, federnden Klemmlasche (21) für den Anschlußdraht (1) mit der Kontaktnadel (4).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einstellvorrichtung ein stereoskopisches Mikroskop für die Einstellung der Kontaktnadel (4) auf dem Halbleiterplättchen (14) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gießharz-Zufuhreinrichtung und eine PoIymerisiereinrichtung mit Infrarotröhren zwecks Umhüllung und Trocknung des Halbleitergerätes vorhanden sind.

7. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine

Silikonharz-Auftropfvorrichtung die Aufbringung weiterer Schichten auf die fixierten Dioden durchführt und in einem Trockenofen jede einzelne Schicht eingebrannt wird.

8. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 und nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein endloses Transportband (28) mehrere Einstellvorrichtungen (15), die je auf einer Specksteinplatte montiert sind, zwecks fortlaufender Einstellung und Polymerisierung aufweist und das Transportband an dem Spezialmeßgerät mit dem elektronischen Kennlinienschreiber vorbeiführt und dann an der Gießharz-Zufuhreinrichtung und den oberhalb und unterhalb des Transportbandes angeordneten Infrarotröhren (34) vorbeiläuft, wonach dann die fixierten Dioden auf eine Tellerscheibe (35) gebracht werden und an der Silikonharz-Auf tropf vorrichtung (38) und einem Trockenofen (39) in mehrfachem Wechsel, je nach der Schichtenzahl, vorbeigeleitet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Belgische Patentschrift Nr. 507 187;
»Wireless World«, Februar 1951, S. 57 bis 60.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen