DE1227156B - Halbleiterdiode sowie Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer solchen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1227156

Aktenzeichen: 7. März 1961

Anmeldetag: W 29610 VIII c/21 g

Auslegetag: 20. Oktober 1966

Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung einer Halbleiterdiode mit einem plattenförmigen Halbleiterkörper und mit nach verschiedenen Richtungen von dem Halbleiterkörper aus ausladenden plattenförmigen Anschlußelektroden sowie auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer solchen Diode. - '·

Der Halbleiterkörper kann dabei aus Germanium^ Silizium oder einem Stoff bestehen, der eine stöchiometrische Verbindung aus Elementen der Gruppe III und der Gruppe V des Periodischen Systems ist, also eine sogenannte A^m B^v-Verbindung.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines solchen Aufbaues.der Diode, bei welchem ein möglichst geringer Übergangswiderstand sowohl thermischer als auch elektrischer Art von dem Halbleiterkörper zu elektrischen Anschlußleitern gewährleistet ist und diese sich leicht anbringen lassen; nach dem Anbringen der Anschlußleiter soll ein möglichst großer Kriechweg am Halbleiterkörper gewährleistet sein; die Anschlußleiter sollen einen Wärmeftußweg mit einer möglichst großen Oberfläche zu einem unmittelbar durch den Anschlußleiter gebildeten Wärmesenkenanteil bilden, über welchen der äußere elektrische Anschluß der Halbleiterdiode erfolgt, so daß die Wärmeableitung von zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers aus anteilig gleichzeitig und möglichst gleichmäßig erfolgt; weiterhin soll in dem Aufbau das Auftreten von wärmeabhängigen Schubspannungen möglichst vermieden werden. ■

Diese, Aufgabe wird bei einer Halbleiterdiode der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß an den zueinander parallelen Breitseiten des Halbleiterkörpers die elektrisch anzuschließenden dotierten Bereiche des Halbleiterkörpers über je eine von dem Rand des Halbleiterkörpers möglichst gleichmäßig distanzierte Zwischenlage aus Gold oder einer Goldlegierung mit den Anschlußelektroden mittels eines Legierungsprozesses verbunden sind, daß die Anschlußelektroden an der Verbindungsstelle mit dem Halbleiterkörper von kleinerer Breite sind als der Halbleiterkörper und daß an dem vom Halbleiterkörper .abgewandten Ende sich ein laschenartiger Teil von größerer Breite als der Halbleiterkörper anschließt, an welchem daiin der eigentliche, z.B. drahtförmige Anschlußleiter befestigt ist.

Um thermischen Schubspannungen zufolge verschiedener Dehnungen oder Schrumpfungen benachbart liegender Aufbauteile vorzubeugen, können die plattenförmigen Anschlußelektroden aus einem Werkstoff bestehen, der in seinem thermischen Ausdeh-Halbleiterdiode sowie Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer solchen

Anmelder:

Westirighouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.jur. G.Hoepffner, Rechtsanwalt,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

William Green, Greerisburg, Pa.;

Owen Hatcher, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 9. März 1960 (13 855)

nungsköeffizienfen-demjenigen des Halbleiterkorpers nahe benachbart liegt. Die plattenförmigen Anschlußelektroden können daher aus Molybdän, Tantal, Wolfram, Grundlegierungen derselben oder aus einer Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung bestehen.
Für die Zwischenlage aus Gold^r oder aus einer Goldlegierung, welche unter allseitiger Einhaltung einer Randzone zwischen ihrem Umfang und demjenigen des Halbleiterkörpers zwischen den dotierten Bereichen des Halbleiterkörpers und den Anschlußplatten für eine gute Benetzung der miteinander durch einen Legierungsprozeß zu verbindenden Teile benutzt wird, kann eine Goldlegierung verwendet werden mit Gewichtsanteilen von etwa 80% Gold und 20 °/o Zinn oder von etwa 97 »/0 Gold und 3% Silizium. ^:

Eine solche Goldzwischenlage hat sich mit einer Dicke zwischen 2,5 und 5,0 μ als besonders geeignet erwiesen.

Werden drahtförmige elektrische Anschlußleiter an dem Laschenteil benutzt, so kann die mechanische und elektrische Verbindung jeweils zwischen den beiden Teilen durch Verlöten oder durch Verschweißen erfolgen.

Hierbei ist es zweckmäßig, eine flächige Anlage des Anschlußleiters an der Anschlußplatte zu gewährleisten. Hierfür wird zweckmäßig der drahtförmige' Anschlußleiter an der gegenseitigen Verbindungsstelle -mit- dem plattenförmigen Ansehlußleiter

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vorher derart flachgedrückt, daß eine solche erwünschte vergrößerte Anlage- bzw,-.Verbindungsfläche erreicht ist.

Die Anschlußleiter bestehen vorzugsweise aus elektrisch gut leitendem Werkstoff oder gegebenenfalls auch nicht korrodierendem Werkstoff und können daher aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium oder Legierungen derselben oder auch einem metallischen Werkstoff mit einem Überzug aus anderem Metall bestehen.

Eine solche Lösung ergibt sich z. B., wenn ein drahtförmiger Anschlußleiter aus Kupfer mit einem Goldüberzug benutzt wird.

Für die Anschlußplatten mit ihren Funktionen geeignete geometrische Formen sind vorzugsweise eine T-, L- oder I-Form. In letzterem Fall wird der untere Querbalken einer solchen I-Form, der zu der Halbleiterplatte in mittelbare oder unmittelbare räumliche Beziehung tritt, nur etwa mit deren Breite bemessen.

Eine in diesem Sinne aufgebaute Diode eignet sich auch ganz besonders für eine gütemäßig hochwertige Kapselung in elektrischem Isoliermaterial. Wird ein Isoliermaterial· in fließfähigem Zustand verwendet, dann hat es auch unmittelbar Zutritt bis zu den Verbindungsstellen zwischen den Anschlußplatten und dem Halbleiterkörper und umschließt diesen gut anliegend, und zwar gegebenenfalls einschließlich der Anschlußplatte in ihrer vollen Länge; hierbei ergeben sich zwischen diesen Anschlußplatten und dem Isoliermaterial Wärmeflußübergänge von großem Querschnitt. Eine solche Kapselung einer erfindungsgemäß aufgebauten Halbleiterdiode kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen. So kann zur Kapselung der Halbleiterdiode in einer Isoliermasse ein Kunstharz benutzt werden. Dieses kann in einem bereits ausgehärteten Behälter aus Kunstharz oder aus Metall um die Halbleiterdiode herum- und an sie angelagert werden, etwa indem es sie umfließt. Dabei wird als Hilfsformenbehälter für diese Isoliermasse unmittelbar die äußere Kapselung aus dem ausgehärteten Kunstharz oder aus Metall benutzt, in welcher als Vorrichtung die Isoliermasse bereits vorher eingesetzt wird. Das Umschließen bzw. Umfließen der Halbleiterdiode erfolgt, nachdem sie und der noch thermisch behandlungsfähige und formveränderliche Isoliermaterialvorrat in das Gehäuse eingesetzt worden sind, im Verlauf eines thermischen Behandlungsprozesses. Dieser Behandlungsprozeß dient schließlich auch noch dazu, die Isoliermasse, sobald sie die Halbleiterdiode vollständig umschlossen hat, in einen vorbestimmten ausgehärteten Zustand überzuführen. Das wird sich auch aus der weiteren Erläuterung des Wesens der Erfindung und den angegebenen speziellen zweckmäßigen Lösungen noch grundsätzlich näher ergeben.

Bei einer bekannten Bauform einer Halbleiteranordnung mit dem elektrischen Aufbau einer Diode oder eines Transistors war es bereits bekanntgeworden, zwei parallele Metallplatten, z. B. aus Kupfer, über zwei Isolierkörper mechanisch miteinander zu verbinden, wobei die Metallplatten, senkrecht zu ihren Flächen betrachtet, einander nur teilweise überdecken und die einzelnen Metallplatten senkrecht zur aus den Isolierkörpern gebildeten Reihenanordnung in zueinander entgegengesetzten Richtungen verschieden weit ausladen. An einem solchen fertiggestellten mechanischen System "wurde dann an den zwischen den Isolierkörpern liegenden Flächen der Metallplatten das Halbleiterelement befestigt, z. B. indem jede Metallplatte mit einer dünnen Schicht aus Woodschem Metall versehen worden ist und dann der Halbleiterkörper, der auf der einen Seite eine Versteifungsplatte und auf der anderen · Seite eine Elektrode aufweisen kann, zwischen die Metallplatten eingeschoben und dabei gleichzeitig das Woodsche Metall durch Heißluft geschmolzen wird. Hierbei war auch in Aussicht genommen, den Kristall

ίο und seine Elektrode durch Umschließen mit einer Dichtungsmasse zu schützen, wofür Äthoxylinharz als geeignet angesehen wurde.

Zur näheren Erläuterung des Wesens der Erfindung wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen, bei deren Beschreibung sich noch weitere vorteilhafte technische, in Verbindung mit der grundsätzlichen Erfindung benutzbare Einzelmerkmale ergeben werden.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung

ao an einer Halbleiterdiode in einer auseinandergezogenen Darstellung der Einzelteile teilweise im Querschnitt;

F i g. 2 ist eine Ansicht einer erfindungsgemäß .aufgebauten Halbleiterdiode mit teilweiser Schnittdarstellung;

F i g. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer fertiggestellten Halbleiterdiode nach der Erfindung;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, der nach Fig. 3 vorbereiteten Anordnung, welche in ein Kunstharz eingebettet und in einen ausgehärteten, vorgeformten Kunstharzbehälter eingeschlossen werden soll;

■ Fig.- 5 ist eine Seitenansicht der Halbleiterdiode nach F i g. 3 im Querschnitt, welche in ein erstes, voll ausgehärtetes Kunstharz eingebettet und in einen Behälter eingeschlossen ist, der aus einem zweiten, vorher voll .ausgehärteten Kunstharz besteht;

F i g. 6 ist eine perspektivische Ansicht der Anordnung nach F i g. 3, teilweise im Querschnitt, welche so vorbereitet ist, daß sie in einen Metallbehälter eingeschlossen werden soll;

F i g. 7 ist eine Seitenansicht einer Anordnung teilweise im.Querschnitt, welche in ein voll ausgehärtetes Kunstharz eingebettet und von einem Metallbehälter gehäuseartig umschlossen ist.

In der auseinandergezogenen Ansicht der Hauptteile nach Fig. 1, nämlich der Halbleiterplatte und der plattenförmigen Anschlußelektrode der Diode für niedrige Ströme, bezeichnet 10 eine kleine Platte .aus Halbleitermaterial, 20 eine erste Anschlußelektrode und 30 eine zweite Anschlußelektrode. Jede der Anschlußelektroden 20 und 30 hat eine Goldlage 22 bzw 32, welche an einem vorbestimmten zapfenartigen Teil derselben befestigt ist.

Die Platte 10 kann aus einem Werkstoff bestehen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silizium, Germanium und den stöchiometrischen Verbindungen der Gruppen III und V des Periodischen Systems, z. B. Galliumarsenid, Indiumphosphid, Galliumphosphid und Indiumarsenid, besteht. Die Platte 10 umfaßt einen p-leitenden Bereich 11, einen n-leitenden Bereich 12 und einen pn-übergang 13, welcher zwischen der p-leitenden Zone 11 und der n-leitenden Zone 12 gebildet ist. Die Platte hat eine obere Oberfläche 14 und eine untere Oberfläche 15, welche im wesentlichen zueinander parallel sind.

Die Platte 10 kann nach einem der geläufigen technischen Verfahren hergestellt sein. Es kann aber

auch für die Zwecke der Erfindung speziell, z. B. im Fall von Silizium, eine einkristalline n-leitende Siliziumstange aus einer Schmelze gezogen werden, welche Silizium und wenigstens ein Element aus der Gruppe V des Periodischen Systems, z. B. Arsen, Antimon oder Phosphor, enthält. Die Platte wird dann von der η-leitenden Stange z. B. mit einer Diamantsäge abgeschnitten. Die Oberflächen der Platte können dann geläppt und geätzt oder in beiderlei Weise behandelt werden, um eine glatte, von Schaden freie Oberfläche zu erzeugen. Die Halbleiterplatte wird dann in einem Diffusionsofen angeordnet. Die heißeste Zone des Ofens ist auf einer Temperatur im Bereich von 1100 bis 1250° C und hat eine Atmosphäre aus dem Dampf eines Akzeptor-Dotierungsmaterials, z. B. Indium, Gallium, Aluminium oder Bor. Der Ofen hat auch eine Zone, innerhalb welcher eine Schmelzform des erwähnten Akzeptor-Dotierungsmaterials vorhanden ist, wobei diese Zone auf einer Temperatur von 600 bis 1250° C sein kann und die Temperatur speziell gewählt ist, um den erwünschten Dampfdruck und die Oberflächenkonzentration des aus dem Schmelztiegel diffundierenden Mittels zu sichern. Das Akzeptor-Dosierungsmaterial diffundiert in die frei liegenden Oberflächen der n-leitenden Halbleiterplatte. Da das Akzeptor-Dotierungsmaterial normalerweise auf allen Seiten der Platte in diese eindiffundieren wird, kann es notwendig werden, die Seiten oder andere Oberflächen der Halbleiterplatte, durch welche hindurch keine Diffusion erwünscht ist, zu maskieren, z. B. durch eine Oxydschicht od. dgl. Nach einem vorbestimmten ausgewählten Zeitintervall für eine gegebene Temperatur wird eine Eindiffusion des Akzeptor-Dotierungsmaterials in die Halbleiterplatte mit einer genügenden Eindringtiefe stattgefunden haben, um die Oberfläche der Halbleiterplatte bis zu einer solchen Tiefe über einen Bereich von p-Leitung zu verbinden.

In einem abgewandelten Verfahren kann die n-leitende Halbleiterplatte zunächst in einem Diffusionsofen angeordnet werden, welcher eine Atmosphäre aus Phosphor enthält. Zusätzlich zur Eindiffusion in die Halbleiterplatte, um einen η-leitenden Bereich zu schaffen, wird der Phosphor einen glasähnlichen Überzug auf der Oberfläche der Halbleiterplatte erzeugen. Dieser Phosphorüberzug verhütet, daß Bordämpfe in die Halbleiterplatte hineindiffundieren. Die Platte wird aus dem Ofen entfernt und der Phosphorüberzug dann von den Oberflächenteilen der Halbleiterplatte, an welchen es erwünscht ist, die p-Leitung der Platte umzukehren, abgeätzt oder .abgerieben, und die Bordämpfe werden in die behandelte Halbleiterplatte in einem Diffusionsofen in der oben beschriebenen Weise eindiffundiert. Die resultierende Halbleiterplatte wird nun p- und η-leitende Bereiche haben, wenn sie in dieser Weise vorbereitet worden ist, aber sie wird aussehen und wirken, als ob sie einen pn-übergang hätte, wie dies in F i g. 1 veranschaulicht ist.

Die Anschlußelektroden 20 und 30 können aus einem Metall bestehen, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdän, Tantal, Wolfram und den Grundlegierungen derselben ebenso wie aus einer Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung besteht. In einer bevorzugten Ausführung haben die Anschlußelektroden 20 und 30 im wesentlichen eine T-förmige Gestalt und bestehen aus zapfenartigen Teilen 23 bzw. 33 und nasenartigen Teilen 21 bzw. 31. Die Breite der Zapfenteile der Anschlußelektroden, weiche in Fig. 1 mit X bezeichnet ist, ist geringer als die Breite der Halbleiterplatte, welche in Fig. 1 mit Y bezeichnet ist.

Das äußerste Ende einer Fläche jedes der Zapfen 23 bzw. 33 ist mit einer dünnen Schicht 22 bzw. 32 aus reinem oder undotiertem Gold überzogen. Die reine oder undotierte Goldschicht kann durch Plattieren, durch einen galvanischen Prozeß oder ein anderes bekanntes Verfahren aufgebracht werden. Die Goldschichten 22 bzw. 32 erstrecken sich im wesentlichen vollständig über die Breite X des Zapfens. Die Länge der Goldschicht, welche in F i g. 1 mit K bezeichnet ist, ist geringer als die Länge L der HaIbleiterplatte 10. Deshalb haben die Goldschichten 22 und 32 eine geringere Flächenausdehnung als die Halbleiterplatte und können vollständig innerhalb des Umfanges der Halbleiterplatte 10 angeordnet werden. Die Dicke der Goldschicht kann von einer Mindestdicke von ungefähr 2,5 bis zu 5,0 μ oder sogar mehr variieren. Während bevorzugt reines Gold verwendet wird, können auch zufriedenstellende Resultate bei Benutzung einer Gold-Grundlegierung erreicht werden, welche Gold und ein neutrales Me-

a₅ tall enthält, z. B. eine Legierung, welche aus 80 °/o Gold und 2O°/o Zinn oder eine Legierung, die aus 97"Zo Gold und 3% Silizium besteht.

Wenn auch die Anschlußelektroden 20 und 30 als im wesentlichen T-förmig veranschaulicht worden sind, so können sie im Rahmen der Erfindung doch auch eine andere, geeignete Aufbauform erhalten, z. B. eine rechteckige Form, eine L-förmig geschnittene Form, wie sie durch Wegschneiden einer Seite des Nasenteiles erreicht wird, oder eine I-Form, wobei der Zapfenteil von einer größeren Flächenausdehnung entsprechend der Halbleiterplatte ist und durch einen schmäleren Halsteil mit einem vergrößerten Nasenteil verbunden ist. Auf jeden Fall sollte der Nasenteil in bezug auf den Zapfenteil vergrößert sein.

Der Nasenteil kann kreisflächenförmig sein oder eine andere geeignete geometrische Form haben.

In F i g. 2 ist in dieser ein Teil 40 eines Legierungsbehälters veranschaulicht, welcher aus einem inerten Material besteht, z.B. Graphit, welcher für die gegenseitige Zusammenstellung der Halbleiterplatte und der Anschlußelektroden nach Fig. 1 zu einer Diode für niedrige Ströme geeignet ist. Der Teil 40 hat eine Mehrzahl von Aussparungen, welche passend eingerichtet sind, um die Komponenten für die Zusammenstellung aufzunehmen und in Bezug aufeinander auszurichten. Die Aussparungen 41 und 42 sind angepaßt für die Aufnahme und den Einschluß der nasenförmigen Teile 21 und 31 der Anschlußelektroden 20 bzw. 30. Die schmäleren zapfenförmigen Teile 23 und 33 der Kontakte 20 bzw. 30 sind teilweise in die Aussparungen 43 und 45 eingeschlossen, und die Zapfenteile erstrecken sieh in eine vergrößerte zentrale Aussparung 46, welche der Halbleiterplatte 10 angepaßt ist.

Bei der Vorbereitung der Fertigung wird die Anschlußelektrode 30 in der Legierungsform mit ihrer entsprechenden Nase 31 und dem Zapfen 33 in den richtigen Aussparungen angeordnet, wie es oben dargelegt worden ist. Die Goldschicht 32, welche auf der oberen Oberfläche des Streifens 33 angeordnet ist, erstreckt sich in die Aussparung 46. Die Halbleiterplatte 10 wird dann in die Aussparung 46 mit einem Teil ihrer unteren Fläche 15 in gegenseitigem Kon-

takt mit- ieF*Gol<äsehieht-S2^!'arigeordnei, -so daßidie Goldsehiemv kmerKalb "des--Umfanges- der -unteren Fläche ^er Halbleiterplatte 10-liegt Die ^Ansehlußelektrode 20 wird dann in dem Legierungsbehäller mifcseinen entsprechenden-Zapf en und Nasenteilen in ähnlicher-Weise in-den^; Aussparungen 41 und· 46 anordnet? ;Die- Goldschicht 22, welche auf dem Ende der einen-'Oberfläehe- des-Zapfens 23-angeordnet-ist, ist in Kontakt mit einem Teil^;-'der'oberen Fläche -14 der ■Halbleiterplatt&..10· innerhalb- ihres Umfanges. Euv-Gewicht 50 wird dann im wesentlichen -zentral in der Aussparung 46 und auf dem Zapfen 23 .angeord'-netj-um-einen.guten-Kontakt zwischen der Halbleiterplatte 10 und-den-Goldlagen 22 und 32 über die gesamte Flache der Goldlagen zu sichern. Ein Gewicht von 0,2 bis 0,6 g wurde als zufriedenstellend für Halbleiterplatten von einer Länge und einer Breite von 1,6 mm festgestellt.

Die Legierungsform wird dann in einen Ofen gebracht, und die Platte 10 sowie die Anschlußelektroden 20 und 30 werden durch Legierung mit den Goldlagen verbunden, indem sie auf eine Temperatur erhitzt werden, die ausreichend ist, um eine eutektische Legierung aus Gold und dem Halbleitermaterial der Halbleiterplatte zu bilden. Der Ofen kann ein Vakuum oder eine inerte Atmosphäre haben, z. B. ein Vakuum, welches einen absoluten Druck von 10~² bis 10~⁵ mm Hg hat, oder eine Argon-, Wasserstoff-, Helium- oder Stickstoffatmosphäre. Die Schmelztemperatur hängt von dem Halbleitermaterial und der Zusammensetzung der Goldschicht ab. Zum Beispiel schmilzt eine eutektische Gold-Silizium-Legierung bei ungefähr 370° C und eine eutektische Gold-Germanium-Legierung bei ungefähr 350° C. Wenn die Goldschicht aus einer Legierung von 80% Gold und 20% Zinn besteht, so wird die Legierung bei ungefähr 300° C durchgeführt. Eine Legierungstemperatur von ungefähr 375° C wird für die Legierung aus 97% Gold und 3«/o Silizium benutzt. In der Praxis werden die Ofentemperaturen etwas über den eutektischen Temperaturen gehalten. Es ist nur eine kurze Erhitzung notwendig, um die Legierungsbindung zu erzeugen. Die Legierungsform wird dann aus dem Ofen entfernt und der Abkühlung bis zu Raumtemperatur überlassen.

In F i g. 3 ist eine Diode 60 dargestellt, deren Komponenten miteinander unter Benutzung der Legierungsform nach Fig. 2 legiert worden sind. Die Diode 60 für niedrige Ströme besteht aus der Halbleiterplatte 10, mit welcher die Anschlußleiter 20 und ■30 verbunden worden sind. Der Anschlußleiter 20 ist mit der oberen Oberfläche 14 der Halbleiterplatte 10 durch die geschmolzene (einlegierte) Goldschicht 22 und der Anschlußleiter 30 mit der unteren Fläche 16 ■der Platte 10 durch die geschmolzene (einlegierte) Goldschicht 32 verbunden (in F i g. 3 nicht gezeigt). Die drahtförmigen Anschlußleiter 70 und 80 können mit den Anschlußleitern 20 bzw. 30 durch Löten, Hartlöten, Schweißen od. dgl. verbunden werden. Die Anschlußleiter 70 und 80 können aus einem geeigneten Metall, z. B. Gold, Silber, Kupfer, Aluminium und Gemischen und Legierungen derselben, sein, oder sie können aus einem Metall bestehen, welches mit einem anderen überzogen worden ist, z. B. Kupfer mit einem Goldüberzug.

Wenn die Anschlußleiter 70 und 80 im Querschnitt kreisförmig sind, so können die Enden 71 bzw. 81 abgeflacht werden, bevor sie mit den Kontakten verbunden werdeni, iüfn-auf diese^;jWeise»eine kräftigere Verbindung<zu schaffen. - - .-^;:- -·■'·■ -'■■ ''■■ - '-Der Übergang zwischen der Halbleiterplatte 10

und den Ansehlußleitern-20 und-30 kann mit einem geeigneten -Mittel geätzt und dann mit-einem :Überzug,' z. B. aus Silikonlack, versehen werden, um ihn während der weiteren Behandlung der Diode zu schützen-.

Die Diode 60 kann nunmehr in einen Körper aus

ίο Kunstharz eingekapselt und abgedichtet werden, und zwar· entweder in-einen Behälter aus Kunstharz oder aus Metall.

Das Einkapseln'-durch ein Kunstharz und der Einschluß des umschlossenen Körpers in einen Kunstharzbehälter können durch verschiedene Verfahren erreicht werden. Für ein bevorzugtes Verfahren soll auf Fi g. 4 Bezug genommen werden. Eine vorgeformte Hülse aus einem möglichst widerstandsfähigen Kunstharz 90 wird um die Diode 60 herum angeordnet, indem der Anschlußleiter 80 durch eine Aussparung .am Ende der Hülse hindurchgeführt wird, und die Anordnung wird innerhalb eines vorgeformten, voll ausgehärteten Behälters 100 aus Kunstharz angeordnet. Das Harz 90 soll von Lösungs-

a₅ mitteln frei sein und soll keine großen Mengen von flüchtigen Bestandteilen entwickeln. Es soll auch fest an den metallischen Oberflächen oder anderen Kunstharzmaterialien anhaften und soll in hohem Maße gegen Feuchtigkeit undurchlässig sein. Beispiele geeigneter Kunstharze schließen die Epoxyharze und Silikonharze ein. Das Kunstharz kann auch ein Füllmaterial von etwa 5 bis 90 Gewichtsprozent enthalten, z. B. Glimmer, Aluminiumoxyd und Siliziumdioxyd. Der voll ausgehärtete, vorgeformte Kunstharzbehälter 100 sollte auch aus einem Harz bestehen, welches im wesentlichen gegen Feuchtigkeit undurchlässig ist und nur eine geringe oder überhaupt keine Schrumpfung erleidet, wenn er auf eine hohe Temperatur erwärmt wird.

Beispiele geeigneter Kunstharze, aus welchen der Behälter bestehen kann, sind Epoxyharze und Silikonharz. Die elektrischen Anschlußleiter 70 und 80 erstrecken sich über die Enden der Hülse 90 und die Enden des Behälters 100 hinaus.

Eine neue Aufbauform, welche sich als zufriedenstellend erwiesen hat, ist in F i g. 4 veranschaulicht, in welcher der elektrische Anschlußleiter 80 durch eine Aussparung 91 in der Kunstharzhülse 90 und durch eine Öffnung 101 in dem geschlossenen Ende des Behälters 100 hindurchgeführt ist. Die Anordnung enthält die Diode 60, eingeschlossen in die Hülse 90, welche ihrerseits in dem voll ausgehärteten Kunstharzbehälter 100 angeordnet ist; die Anordnung wird auf eine Temperatur erhitzt, während sie aufrecht in bezug auf die Zuleitung 80 steht, die ausreichend ist, um die Hülse 90 zu schmelzen, so daß sie die Diode 60 umgibt, und dann eine Aushärtung derselben herbeizuführen.

Der resultierende Aufbau ist in F i g. 5 gezeigt, wo die Diode 60 nunmehr in einer voll ausgehärteten Kunstharzmasse 90 eingekapselt ist, welche ihrerseits in dem vorher voll ausgehärteten, vorgeformten Kunstharzbehälter 100 enthalten ist. Der in F i g. 5 veranschaulichte Aufbau ist besonders geeignet für eine Anwendung in Fernseh- und Rundfunkgeräten. Es wird darauf hingewiesen, daß die elektrischen Anschlußleiter 70 und 80 aus dem Körper erhärteten Kunstharzes 90 und dem Kunstharzbehälter 100 her-

ίο

ausführen und dadurch den Anschluß der Diode 60 an andere elektrische Einheiten des jeweiligen Gerätes erleichtern.

Das Kunstharz 90 und der Behälter 100 schaffen nicht nur eine in hohem Maße befriedigende elektrische Isolation, sondern verhüten auch, daß Feuchtigkeit oder schädliche Gase die Diode beeinflussen können.

eine maximale Temperatur von 1300° C und enthielt eine Phosphordampfatmosphäre. Es wurde zugelassen, daß der Phosphor durch die Oberfläche des Körpers eindiffundierte, wodurch die Halbleiterplatte in η-leitendes Silizium umgewandelt wurde. Das Ergebnis der Phosphordiffusion war, daß ein glasähnlicher Überzug auf der Oberfläche des Körpers gebildet wurde. Der Körper wurde dann aus dem Ofen entfernt und der glasähnliche Phosphorüberzug von

Wenn auch die Aufbauform der Fig. 5 für ihre

Anwendung in Fernseh- und Rundfunkgeräten zu- io der oberen Oberfläche und von einem Teil der Seiten

friedenstellend ist, so können andere Anwendungen, des Körpers abgeätzt. Das verwendete Ätzmittel war

insbesondere solche in Geräten für militärische Flußsäure. Der Körper wurde dann wieder in einem

Zwecke, einen für die rauhere Beanspruchung geeig- Diffusionsofen angeordnet, in welchem eine maxi-

neteren Zusammenbau erforderlich machen. male Temperatur von 1300° C herrschte und eine

InFig. 6 ist die Diode so veranschaulicht, daß sie 15 Bordampfatmosphäre vorhanden war. Das Bor vorbereitet ist, in einem Kunstharzkörper einge- diffundierte in den Körper durch die vorher abgekapselt und hermetisch in einem Metallbecher 200 ätzten Oberflächen und bildete auf diese Weise einen abgedichtet zu werden. Der Metallkörper 200 kann Teil der Halbleiterplatte für p-Leitung um. Der glasaus einem geeigneten Metall, wie z. B. Stahl, Alu- ähnliche Phosphorüberzug verhinderte eine Boreinminium, Kupfer u. dgl. bestehen und umfaßt einen ao diffusion in den verbleibenden Teil des Körpers. Der zylindrischen Teil 201 und einen Bodenteil 202.
Wenigstens eine der Glas-Metall-Dichtungen 203 ist
an der Stelle hergestellt, wo der Änschlußleiter 80

auf diese Weise entstandene Körper hatte einen p-n-p+-Zonenquerschnitt. Der Körper wurde dann in eine Anzahl von quadratischen Platten von 1,7 mm Seitenlänge zugeschnitten. Eine auf diese Weise erdurchgeführt ist, um einen elektrischen Kurzschluß 25 zeugte Halbleiterplatte wurde in eine Legierungsfonn zu verhüten. Der Anschlußleiter 70 kann eingelötet der in Fig. 2 veranschaulichten Art zusammen mit

zwei teilweise mit Gold überzogenen Anschlußelektroden von T-Form aus einer Nickel-Kobalt-Eisen-

durch die Wand des zylindrischen Teiles 201 hinwerden, um die Aussparung "abzuschließen, an welcher er durch den Bodenteil 202 hiiidurchgeführt ist. Eine Menge eines geeigneten, schmelzbaren und

Legierung, wie in Fig. 1 veranschaulicht, einge-

widerstandsfähigen Harzes 210, welches die oben dar- 30 bracht, und diese Anschlußdektroden. wurden dann gelegten Eigenschaften hat, ist in dem Behälter200 ' *" ™~" "' * " "*--'·

um die Anordnung 60 herum angeordnet. Der Behälter 200 wird dann einem Vakuum öder einer trockenen, inerten Atmosphäre ausgesetzt, z. B. einer Argon-, Helium-, Wasserstoff- oder Stickstoffatmo-Sphäre. Der Gehäuseteil 201 ist hermetisch mit dem Bodenteil 202 an der Stelle 212 durch Löten, Hartlöten oder Schweißen verbunden.

Der Behälter 200 mit der Anordnung 60 und dem

mit der Platte durch die Goldschichten bei einer Temperatur von annähernd 450° C verbunden, wobei sie in festem gegenseitigen Kontakt mittels eines Gewichtes von etwa 0,2 g gehalten wurden. Die Platte mit den auf diese Weise an ihr befestigten Anschlußelektroden wurde dann aus der Form herausgenommen, und es wurden elektrische Anschlußleiter aus Silberdraht an die nasenartigen Teile der Anschlußelektroden angeschlossen. Der endgültige Aufbau

Kunstharzkörper 210, welche in diesem abgedichtet 40 war ähnlich dem in Fig. 3 gezeigten.

sind, wird dann in einem Ofen angeordnet und auf Die auf diese Weise vorbereitete Anordnung war

nunmehr bereit, für eine Einkapselung in ein Kunstharz oder in einem Metallbehälter angeordnet zu

eine höhere Temperatur erwärmt, um das Kunstharz 210 zu schmelzen und zu erhärten. Das geschmolzene Harz fließt um die Diode 60 herum und verbindet sie mit den Wänden des Behälters 200.

Ausgezeichnete Resultate sind erreicht worden, wenn das verwendete Harz 210 ein Epoxyharz oder Silikonharz war. Der sich ergebende Aufbau ist in F i g. 7 veranschaulicht.

werden.

45

B eispiel 2

Die Diodenanordnung gemäß Ausführungsbeispiel 1 wurde in einem vorgeformten, schmelzfähigen, halb ausgehärteten hülsenartigen Körper aus einem

Aus F i g. 7 kann entnommen werden, daß die Di- 50 Epoxyharz angeordnet und der Hülsenkörper und die ode 60 vollständig in dem voll ausgehärteten Harz Diode in einem zylinderartig vorgeformten, voll aus- 214 eingekapselt ist. Die elektrischen Anschlußleiter gehärteten Epoxybehälter angeordnet. Die Zusam-70 und 80 erstrecken sich durch die Wände des Me- menstellung, welche die Diode, die Hülse und den tallbehälters 200, um die Zusammenschaltung der Behälter umfaßt, ist in diesem Zustand im wesent-Diode60 mit anderen elektrischen Apparaten zu er- 55 liehen die in Fig. 4 dargestellte. Die Zusammenstelleichtern. Die auf diese Weise eingekapselte Diode, lung wurde dann in einem Ofen angeordnet und auf welche abgedichtet innerhalb des Metallbehälters eine Temperatur von etwa 150° C erhitzt, wobei die liegt, ist besonders geeignet für die Verwendung in halb ausgehärtete Epoxyharzhülse schmolz, die Di-Raketen, Luftfahrzeugen, Weltraumgeschossen u. dgl. ode einkapselte und an den Wänden des Epoxy-Im nachfolgenden sind noch einige Ausführungs- 60 behälters anhaftete. Die Temperatur des Ofens beispiele für die praktische Anwendung der Erfin- wurde auf etwa 150° C gehalten, bis das teilweise

dung beschrieben.

Beispiel 1

Ein flacher quadratischer Körper eines einkristallinen, eigenleitenden Siliziums, welcher eine Dicke von annähernd 0,3 mm hat, wurde in einem Diffusionsofen angeordnet. Der Diffusionsofen hatte

ausgehärtete Epoxyharz vollständig in den Zustand eines thermisch ausgehärteten Harzkörpers ausgehärtet war.

Beispiel 3

Eine Diode, welche gemäß dem Verfahren nach Beispiel 1 vorbereitet war, wurde zusammen mit zwei

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vorgeformten Zylindern aus schmelzbarem, teilweise ausgehärtetem Epoxyharz in einem Stahlgehäuse angeordnet. Die elektrischen Zuleitungen, welche sich von der Vorrichtung aus erstreckten, konnten sich durch Aussparungen in den Wänden des Metallbehälters hindurcherstrecken. Eine Glas-Metall-Dichtung wurde ,an jeder Stelle hergestellt, wo die elektrische Zuleitung durch das Metallgehäuse hindurchlief. Das Metallgehäuse wurde evakuiert, mit trockenem Stickstoff gefüllt und abgedichtet.

Das Metallgehäuse mit der Diode und dem teilweise ausgehärteten Epoxyharz wurde dann in einen Ofen gebracht, erhitzt und auf einer Temperatur von ungefähr 150° C gehalten, wobei das teilweise ausgehärtete Epoxyharz in dem Behälter schmolz und die Diode vollständig einkapselte. Das geschmolzene Epoxyharz benetzte auch die Seitenwände des Behälters. Die Temperatur wurde über einen genügenden Zeitraum aufrechterhalten, um das geschmolzene Harz in den voll ausgehärteten Zustand überzuführen, wobei es die Diode vollständig einkapselte und mit den Metallwänden des Behälters verband.

Ähnlich zufriedenstellende Ergebnisse wie die der Beispiele 1 und 2 können erzielt werden, wenn man das Epoxyharz durch Silikonharz ersetzt.

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Halbleiterdiode mit einem plattenförmigen /Halbleiterkörper und mit nach verschiedenen

■ c --Richtungen von dem Halbleiterkörper ausladen-...■ den plattenförmigen Anschlußelektroden, dad u r c h g e k e η η z.e i c h η e t, daß an den zuein-, ander parallelen Breitseiten des Halbleiterkörpers , die elektrisch anzuschließenden dotierten Bereiche des Halbleiterkörpers über je eine von dem Rand des Halbleiterkörpers möglichst gleichmäßig ..- distanzierte Zwischenlage aus Gold oder einer Goldlegierung mit den Anschlußelektroden mittels eines Legierungsprozesses verbunden sind, daß die Anschlußelektroden an der Verbindungsstelle • mit dem Halbleiterkörper von kleinerer Breite - sind als der Halbleiterkörper und daß an dem vom Halbleiterkörper abgewandten Ende sich ein laschenartiger Teil von größerer Breite als der Halbleiterkörper anschließt, .an welchem dann der eigentliche, z. B. drahtförmige Anschlußleiter.befestigt ist.

2, Halbleiterdiode nach Anspruch!, dadurch

. gekennzeichnet-, daß die plattenförmigen Anschlußelektroden aus einem Werkstoff bestehen, der in seinem.thermischen Ausdehnungskoeffizienten demjenigen des Halbleiterkörpers nahe benachbart liegt. ;

3.. Halbleiterdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Anschlußelektroden aus Molybdän, Tantal, Wolfram, Grundlegierungen derselben oder aus einer Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung bestehen.

4. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldlegierung aus etwa 80 % Gold und etwa 20 % Zinn oder aus 97 °/o Gold und 3^fl/o Silizium besteht.

5. Halbleiterdiode nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage eine Dicke zwischen 2,5 und 5,0 μ aufweist.

6. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmigen Anschlußleiter mit den plattenförmigen Anschlußelektroden verlötet oder verschweißt sind.

7. Halbleiterdiode nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmigen Anschlußleiter an den Verbindungsstellen mit den Anschlußelektroden eine durch Flachdrücken erzielte -vergrößerte Anlage- bzw. Verbindungsfläche haben.

8. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmigen Anschlußleiter aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium oder Legierungen derselben oder aus einem Metallkörper mit einem Metallüberzug aus einem anderen Metall bestehen.

9. Halbleiterdiode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die drahtförmigen Anschlußleiter aus Kupfer mit einem Überzug aus Gold bestehen. ". .

10. Halbleiterdiode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Anschlußelektroden eine T-, L- oder I-Form haben.

11. Halbleiterdiode nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der parallel zu den Breitseiten im Halbleiterkörper verlaufende pn-übergang mit seinem Rand an der von diesen Breitseiten begrenzten Mantelfläche des Halbleiterkörpers heraustritt.

12. Verfahren zum Einschluß einer Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode zusammen mit einem entsprechenden Isoliermaterialvorrat in ein bereits fonnfestes Gehäuse aus Isoliermaterial oder aus Metall eingebracht wird und daß danach diese Anordnung einem thermischen Behandlungsprozeß unterworfen wird, der bewirkt, daß der in das formfeste Gehäuse eingebrachte Isoliermaterialvorrat in den plastischen oder flüssigen Zustand übergeht, die Halbleiterdiode umschließt und anschließend aushärtet.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial in Form eines hülsenförmigen oder becherförmigen Körpers in einen becherförmigen Behälter aus Metall oder aus Isoliermaterial eingebracht wird, daß danach in den Körper aus Isoliermaterial unter seiner Ausnutzung als Haltekörper die Halbleiterdiode so eingebracht wird, daß ihr einer Anschlußleiter durch die Bodenfläche des äußeren Bechers bzw. durch die Bodenflächen der beiden Becherformen hindurchgeführt ist, und daß dann die gesamte Anordnung bei aufrechter Becherform derart einem thermischen .Behandlungsprozeß unterworfen wird, daß der eingebrachte Isoliermaterialkörper in den Zustand einer die äußere Becherform vollständig ausfüllenden und die Halbleiterdiode dicht umfließenden und einschließenden Masse übergeht und dann .aushärtet.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines einen becherförmigen Teil und einen Deckel aufweisenden Gehäuses aus Metall oder Isoliermaterial die Halbleiterdiode zusammen mit einem Isoliermaterialvorrat derart in das Gehäuse eingesetzt wird, daß die drahtförmigen Anschlußleiter durch den Becher- bzw. Deckelboden, gegebenenfalls isoliert, hindurchgeführt und mechanisch mit ihnen verbunden sind,.daß dann der becherför-

mige Teil und der Deckel dicht miteinander verbunden werden und daß anschließend die gesamte Anordnung derart thermisch behandelt wird, daß der Isoliermaterialvorrat in den plastischen bzw. in den flüssigen Zustand übergeht und dadurch als eine auf einem der Böden getragene Masse die Halbleiterdiode umfließt und dann aushärtet.

15. Vorrichtung zum Herstellen einer Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Becherform besteht, die einen abgestuften Boden bzw. an ihrer inneren Mantelfläche Rippen aufweist, die entsprechend

der Schichtenhöhe, der Umfangsformen und der betriebsmäßig gegeneinander verschobenen Lage der Halbleiterplatte, der Zwischenlagen und der Anschlußelektroden bemessen sind, so daß diese Teile durch einfaches Anlegen unmittelbar in der vorgeschriebenen Lage einander zugeordnet werden können und nach einer Gewichtsbelastung der Legierungsprozeß zwischen den genannten Teilen durchgeführt werden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1052 572;
USA.-Patentschriften Nr. 2 759 133, 2762 001.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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