DE1242299B - Halbleiterbauelement mit einem zusammen mit einem Getter in ein Gehaeuse eingeschlossenem Halbleiterelement - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

int. Cl.:

HOll

DeutscheKl.: 21g-11/02

Nummer:

Aktenzeichen: Anmeldetag:

W 31099 VHIc/21g 18. November 1961 15.Juni 1967 14. Dezember 1967

Auslegetag: Ausgabetag:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem zusammen mit von einem Träger gehaltenen Gettermaterial in ein Gehäuse hermetisch eingeschlossenen Halbleiterelement.

Es ist wohlbekannt, daß die Natur und Beschaffenheit der ein Halbleiterbauelement, etwa einen Transistor oder eine Diode, umgebenden Atmosphäre bestimmte elektrische Eigenschaften desselben beeinflussen können. Insbesondere ist es wohlbekannt, daß Wasserdampf, auch in Spuren, auf die Dauer die elektrischen Eigenschaften von Halbleiterbauelementen, speziell Transistoren, abträglich beeinflussen kann.

Demzufolge sind in der Technik viele Anordnungen zum Verkapseln von Halbleiterbauelementen entwickelt worden, die von SpezialÜberzügen u. dgl. bis zu weitverbreitet angewendeten Metall-, Glasoder keramischen Kapselungen reichen, die entweder weitgehend evakuiert oder mit inertem Schutzgas gefüllt sind. Außerdem ist es bekannt, in die letzteren Kapselungen als Getter dienende Trockenmittel, wie Glaspulver oder Silikagel, einzuschließen, so daß die schädliche Wirkung von Wasserdampf unterbunden werden kann.

Für Halbleiterbauelemente jedoch, die höchste Zuverlässigkeit und höchsten Stabilitätsgrad der ursprünglichen elektrischen Eigenschaften haben sollten, besteht Bedarf nach einer verbesserten Anordnung, um die Oberflächen der Halbleiterkörper, speziell Silizium- und Germanium-Halbleiterkörper, vor Verunreinigung über praktisch unbegrenzte Dauer und erheblich wirksamer als bisher zu schützen.

Erfindungsgemäß wird dies für ein Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß der Träger aus einem porösen Metall besteht, das mit einer Mischung von Erdalkalioxyden imprägniert ist. Der hiermit erzielte Vorteil liegt einmal darin, daß den zu absorbierenden schädlichen Gasen durch die Wahl eines porösen Trägers infolge der großen inneren Oberfläche desselben eine wesentlich größere wirksame Fläche dargeboten wird, so daß das Resorptionsvermögen, das direkt von der Größe der dargebotenen wirksamen Fläche abhängt, gesteigert wird und die Resorption selbst wesentlich energischer stattfinden kann. Außerdem wird mit dieser Anordnung zugleich ein mechanisch stabiler Aufbau des Getterelementes erreicht, so daß eine mechanische Beschädigung des Halbleiterelementes durch infolge Erschütterungen abgebrochene Getterteile mit Sicherheit vermieden wird. Schließlich kann die Form des Trägers ohne Schwierigkeit den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden. Darüber hinaus

Halbleiterbauelement mit einem zusammen mit einem Getter in ein Gehäuse eingeschlossenem Halbleiterelement

Patentiert für:

Western Electric Company Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt: James Godfrey, Reading, Pa.; Eimer Abram Thurber, Bethlehem, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 1. Dezember 1960_ (73140)

sind die erfindungsgemäß vorgesehenen, als Getterstoffe dienenden Erdalkalioxyde insofern besonders wirksam, weil sie schädliche Gase mittels Chemosorption binden. Es wird also der Vorteil erreicht, daß im Unterschied zu lediglich absorbierenden Stoffen (z. B. Silikagel) die resorbierten Gase bei erhöhten Temperaturen nicht wieder ausgetrieben werden.

Besonders gute mechanische Eigenschaften des Trägers können dadurch erhalten werden, daß als Träger für das Gettermaterial ein aus Nickel, Kupfer oder einer der bekannten Eisen-Kobalt-Nickel-Legierungen bestehender Sinterkörper vorgesehen ist. Da diese Trägermaterialien zugleich auch chemisch beständig sind, ist keine Verschlechterung der mechanischen Stabilität des Trägers im Lauf der Zeit zu befürchten.

Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für das Halbleiterbauelement nach der Erfindung besteht darin, daß der Träger zuerst mit einer Mischung von Erdalkalikarbonaten getränkt wird und dann auf eine solche' Temperatur erhitzt wird, daß sich die Karbonate in Oxyde umwandeln. Die Metalle alkalischer Erden stehen in der IIa-Gruppe des Periodischen Systems und umfassen Kalzium, Strontium, Barium und Radium.

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Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich- thoden, etwa durch Klammern, die an die Wandung

nung beschrieben, die in schematischem Querschnitt der Büchse 11 geschweißt sind, oder durch andere

einen Transistor in hermetisch verschlossener Kapse- Hilfsmittel befestigt werden.

lung darstellt. Das Getterelement 21 wird vorteilhafterweise so Die Kapselung besteht aus zwei Hauptteilen, einer 5 hergestellt, daß man zunächst eine Form aus nicht-Metallbüchse 11 und einem Montagekopf 12, die in rostendem Stahl in Form einer flachen Pfanne herüblicher Schweißtechnik, kalt oder warm, längs einer stellt. Ein anderes geeignetes Material für die Form Flanschverbindung 13, 14 miteinander verbunden ist Inconelblech mit einer Dicke von 4,7 mm. Nach sind. Der Montagekopf 12 ist als Metallkappe 15 mit der chemischen Reinigung und Oxydation der Form einer isolierenden Glaseinlage 16 ausgebildet, die io in feuchtem Wasserstoff bei 1000° C wird eine gleichihrerseits zur Abstützung mehrerer Strornzufuhrun- mäßige Schicht von grobem Nickelcarbonylpulver gen 17 dient. Ein Halbleiterplättchen 18 ist auf einer auf der Oberfläche der Form ausgestreut, und zwar Plattform 19 montiert, die ihrerseits vom Montage- bis zu einer Tiefe von etwa 1,3 mm oder abschliekopf getragen wird. Feine Zuleitungsdrähte 25 sind . Bend mit dem Pfannenrand. Die verwendete Körnung mit den Elektrodenbereichen des Halbleiterplätt- 15 des Nickelcarbonylpulvers passiert Standardsiebe von chens 18 verbünde» und an ihre zugeordneten An- 0,074 bis 0,037 mm Maschenweite. Die die Pulverschlüsse 17 angeheftet. schicht enthaltende Form wird dann in feuchtem

Das Transistorelement 10, das beispielsweise vom Wasserstoff 15 bis 20 Minuten lang auf IlOO⁰C er-Diflusionssperrschichttyp sein kann und mehrere hitzt, so daß das Pulver gesintert wird. Nach dem Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps und hier- ao Abkühlen wird das gesinterte Nickelstück aus der zwischen angeordnete pn-Übergänge aufweist, ist der Form entfernt und für die Imprägnierung in umgebenden Atmosphäre innerhalb der Kapselung rechteckige Abschnitte passender Größe, etwa ausgesetzt. Gewöhnlich wird das Halbleiterbauele- 2,54 · 7,62 cm, geschnitten. Danach wird jeder Abment einem scharfen Reinigungs- und Trocknungs- schnitt vorsichtig in eine Suspension von Bariumvorgang unterworfen, bevor der endgültige Einschluß as und Strontiumkarbonat gesenkt. Der poröse Nickelin der Kapselung erfolgt, d. h., bevor die Büchse 11 körper wird von der Suspension durchzogen, bis er mit dem Montagekopf 12 verbunden wird. Dennoch durch und durch gleichmäßig getränkt ist, was durch verbleibt nach dem Verschluß der Kapselung trotz das Austreten der weißen Suspension aus den Poren äußerster Vorsicht ein kleiner Verunreinigungsrück- der Oberfläche angezeigt wird. Hierzu sind gewöhnstand, in erster Linie Wasserdampf, innerhalb dersel- 30 lieh 5 bis 10 Sekunden Tauchdauer erforderlich. Ein ben. Aber selbst die kleinsten vorhandenen Verun- völliges Eintauchen ist unnötig und unerwünscht, reinigungen wurden als Ursache einer Stabilitätsver- Denn es soll ein völlig mit der Suspension impräschlechterung von Halbleiterbauelementen des be- gniertes Element erhalten werden, das jedoch eine schriebenen Typs in langen Zeitabschnitten bestimmt. maximal mögliche Porosität und damit eine wirk-Dies trifft besonders für Halbleiterbauelemente zu, 35 ^same Oberfläche maximaler Größe behält. Deshalb die für militärische Zwecke oder für Anwendungs- ist es nicht erwünscht, das Getterelement mit einem zwecke bestimmt sind, in denen eine lange Lebens- vollständigen Oberflächenüberzug zu versehen, der dauer, wie etwa bei Verstärkern in Unterseekabeln, den Porenraum »abdichten« würde. Das imprägnierte äußerst wichtig ist. Plättchen wird dann aus der Suspension entfernt und

Erfindungsgemäß ist innerhalb der Metallbüchse 40 der Trocknung in einem schwachen Strom reiner

11 ein Getterelement 21 untergebracht, das aus Luft unter leichter Erwärmung auf 50 bis 60° C

einem porösen Metallkörper aufgebaut ist, der seiner- überlassen.

seits mit Oxyden der Erdalkalien, speziell mit Oxy- Eine geeignete Suspension des Imprägnierungs-

den des Bariums und Strontiums, imprägniert ist, wo- materials wird aus den nachstehenden Stoffen in den

bei die Oxyde z. B. aus Karbonaten der entsprechen- 45 angegebenen Anteilen bereitet:

den Erdalkalien, mit denen der Körper ursprünglich Gewichtsprozent

imprägniert worden ist, hergestellt sind. Wie darge- Bariumkarbonat 22 0

stellt hat das Getterelement 21 die Form einer Strontiumkarbonat''.'.'. 16',5

Scheibe und besteht aus einem mit den Oxyden im- Amvlazetat 57 5

prägnierten porösen Nickelkörper, dessen Porosität 50 Nitrozellulose4 0 trotz der Imprägnierung erhalten geblieben ist. Die

Imprägnierung bedeckt daher die äußere Oberfläche Man bereitet die Suspension, indem man in eine nicht merklich. Das Element 21 kann leicht auf ver- Kugelmühle, die zu einem Drittel mit Flintsteinen geschiedene Weisen am Gehäuse befestigt werden, von füllt ist, 360 g Bariumkarbonat, 270 g Strontiumkardenen die vorteilhafteste in einer leichten Bedamp- 55 bonat, 65 g Nitrozellulose und 600 ml Amylazetat fung der für die Befestigung vorgesehenen Räche gibt. Die Kugelmühle wird verschlossen und 96 Stunder Getterscheibe 21 mit Metall, beispielsweise mit den in Betrieb genommen. Danach wird die Mi-Gold, und nachfolgender Befestigung der Scheibe schung in ein 1000-ml-Becherglas gegeben und die mittels Hartlösung an der oberen Innenfläche der Kugelmühle mit 280 ml Amylazetat noch einmal für Büchse 11, beispielsweise durch Erwärmen auf 60 IOMinuten in Betrieb genommen. Danach ist die 950° C unter Wasserstoffatmosphäre bei Verwen- Mischung zur Verwendung als Imprägnierungsmittel dung eines Kupfer-Gold-Hartlotes und einer Nickel- fertig. Da sie eine Suspension darstellt, ist es notwen- oder Kovarbüehse, besteht. Dieses Verfahren ist be- dig, die Mischung vor der Imprägnierung der Nickelsonders vorteilhaft, da der Heizvorgang gleichzeitig matrizen ausreichend zu rühren, zu einer der Aktivierung des Getterelementes dienen- 65 Das vorstehend beschriebene Imprägnierungsden Überführung der Karbonate in die diesbezüg- material liefert zufriedenstellende Ergebnisse. Es sei liehen Oxyde verwendet werden kann. Die Scheibe aber bemerkt, daß die beschriebene Rezeptur nicht kann innerhalb des Gehäuses auch durch andere Me- kritisch ist. Vielmehr können zahlreiche andere Mi-

Claims (3)

I 242 299 schungen der Erdaikalien und ihrer Verbindungen benutzt werden. Amylazetat ist zwar ein bequemes, aber nicht das einzig mögliche Suspensionsmittel, es ist daher lediglich stellvertretend für die Klasse hierfür verwendbarer Stoffe genannt. Nachdem die rechteckigen Abschnitte imprägniert und getrocknet worden sind, werden sie gepreßt, so daß das Plättchen geebnet und verstärkt wird. Typischerweise beträgt die hierbei vorgenommene Kompression etwa 0,025 bis 0,05 cm. So kann die Dicke des Plättchehs vor der Pressung 0,114 bis 0,127 cm und nach der Pressung 0,076 bis 0,088 cm betragen. Als nächstes werden Scheiben des gewünschten Durchmessers, beispielsweise 0,317 cm, aus den rechteckigen Abschnitten ausgestanzt. Wenn die Scheiben an die Metellkapselung hart angelötet werden sollen, können die gepreßten rechteckigen Abschnitte einseitig einem Gold-Aufdampfverfahren unterworfen werden, bevor die Scheiben ausgestanzt werden. Wenn die Getterelemente nicht unmittelbar hierauf in den Kapselungen der Halbleiterbauelemente eingeschlossen werden, sollten sie zweckmäßig in einem Exsikkator oder unter Vakuum aufbewahrt werden, so daß eine Verschmutzung jener vermieden werden kann. Der endgültige Einbau des Getterelementes 21 erfolgt durch Einsetzen der Scheibe in die Büchse 11 zusammen mit einem" geeigneten Hartlot und durch Erhitzen des Ganzen in trockenem Wasserstoff für 10 bis 15 Minuten auf 950 bis IlOO0C Diese Wärmebehandlung dient sowohl dem Anlöten der Scheibe unter Vermittlung des Goldüberzuges derselben an die obere Innenseite der Büchse als auch der Aktivierung des Getterungselementes durch Umwandlung der Karbonate des Bariums und Strontiums in die entsprechenden Oxyde. Es leuchtet ein, daß das Getterelement in verschiedensten Formen und Größen hergestellt werden kann, wenn auch bei der beschriebenen Ausführungsform die Scheibenform des Getterelementes für die dargestellte Kapselung die geeignetste ist. Ein Alternatiwerfahren zur Herstellung des Elementes 21 besteht in der Verwendung einer gewöhnlichen Tablettiermaschine von der Art, wie sie zum Pressen von Tabletten aus gepulvertem Material dienen. Eine solche Maschine dient zur Herstellung des scheibenförmigen Trägers durch Pressen, der anschließend durch Erhitzen gesintert und alsdann wie oben beschrieben imprägniert wird. Eine solche Maschine kann zur Herstellung zahlreicher gewünschter Formen, wie Zylinder oder Halbkugeln, verwendet werden, je nach der benutzten speziellen Kapselung. Auch können an Stelle von Nickel andere Materialien als Trägermaterial für das Getterelement 21 verwendet werden. Im allgemeinen ist jedes chemisch stabile Material verwendbar, das zu einem porösen Agglomerat geformt werden kann. Insbesondere können Metalle, wie Kupfer und die unter der Handelsbezeichnung Kovar bekannte Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung verwendet werden und auch nichtmetallische Stoffe keramischer Art, wie Tonerde. Für bestimmte Verwendungszwecke kann es außerdem wünschenswert sein, das Getterelement an Stelle einer getrennten Herstellung und nachfolgender Montage in der Kapselung direkt in dieser herzustellen. Insbesondere kann der poröse Träger durch Einführen und Sintern einer Schicht innerhalb eines Teils der Kapselung und anschließender Imprägnierung durch Zugabe einer gemessenen Menge Imprägnierungsmaterials direkt innerhalb der Matrize hergestellt werden. Diese Anordnung ergibt eine besonders solide Konstruktion, von der keinerlei Partikeln abbrechen, die das Halbleiterbauelement schädlich beeinflussen könnten. Die hier aufgeführten Erdalkaliverbindungen sind als wirksame Gettersubstanz wegen ihrer Fähigkeit, verhältnismäßig große Mengen Wasserdampf zu bin's den, sehr gut brauchbar. Beispielsweise kann das hier beschriebene scheibenförmige Getterelement 21 mit einem Durchmesser von etwa 0,317 cm und einer Gesamtdicke von 0,076 bis 0,088 cm, das etwa 4 mg aktiver Oxyde enthält, etwa 0,3 mg Wasser binden, ao Diese Menge entspricht etwa dem Zehnfachen der Wasserdampfmenge, die unter Normalbedingungen im freien Innenraum der in der Zeichnung dargestellten Kapselung vorhanden sein könnte. Andere alkalische Erden oder ihre Verbindungen können in gleieher Weise verwendet werden; die spezifizierte Mischung von Barium- und Strontiumverbindungen wird aber wegen ihrer besonderen Aktivität und Stabilität bevorzugt. Wie man sieht, liegt der besondere Vorteil des erfindungsgemäß bevorzugten Getterungsmittels in der chemischen Absorption im Gegensatz zur physikalischen Adsorption, die für die vorbekannte einschlägige Technik in erster Linie kennzeichnend ist. Es können auch andere Verbindungen der Erdalkalien, z. B. Kalziumverbindungen, verwendet werden. Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem zusammen mit von einem Träger gehaltenen Gettermaterial in ein Gehäuse hermetisch eingeschlossenen Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem porösen Metall besteht, das mit einer Mischung von Erdalkalioxyden imprägniert ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Träger für das Gettermaterial ein aus Nickel, Kupfer oder einer der bekannten Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen bestehender Sinterkörper vorgesehen ist.

3. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger zuerst mit einer Mischung von Erdalkalikarbonaten getränkt wird und dann auf eine solche Temperatur erhitzt wird, daß sich die Karbonate in Oxyde umwandeln.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 846 844;
französische Patentschrift Nr. 1109 644;
USA.-Patentschrift Nr. 2 664 528.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen