DE2352357A1

DE2352357A1 - Halbleitergehaeuse

Info

Publication number: DE2352357A1
Application number: DE19732352357
Authority: DE
Inventors: Demir Sertel Zoroglu
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1972-11-03
Filing date: 1973-10-18
Publication date: 1974-05-16
Also published as: FR2205744A1; JPS4979467A; GB1404100A; US3784884A; JPS5137512B2

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH

DIPL.-ING. ERNST RATHMANN

München 7i, 12. Oktober 1973

Melchloretr. 42

Unser Zeichen; MOlOOP-1067

Motorola, Inc. 94-01 West Grand Avenue Franklin Park, Illinois V.St.A.

Halbleitergehäuse

Die Erfindung betrifft ein Halbleitergehäuse mit niedrigem Wert für parasitäre elektrische Komponenten, wobei auf einem metallischen-Basisteil eine erste thermisch leitende und elektrisch isolierende Schicht, die auf der Oberfläche mit einer Metallschicht versehen ist, und eine zweite elektrisch isolierende sowie mit ersten und zweiten metallischen Bereichen versehene Schicht angeordnet sind_? und mit auf den ersten und zweiten metallischen Bereichen jeweils angebrachten sowie aus dem G-ehäuse herausstehenden Leiterelementen*.

Bei Mikrowellenfrequenzen begrenzen parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten, die sich zwangsläufig aufgrund der Anschlussleitungen= des Gehäuses ergeben, sowohl die Verstärkung als auch die Bandbreite der in dem Gehäuse untergebrachten Transistoren« Diese parasitären Induktivitäten und Kapazitäten, wie sie sich aufgrund der Formgebung des Halbleitergehäuses

Fs/wi ergeben

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ergeben, können auch andere Schwierigkeiten in der Schaltung verursachen, z.B. in Form von parasitären bzw. durch Nebenkopplungen hervorgerufenen Schwingerscheinungen, die sich insbesondere dann einstellen, wenn, die"Halbleiteranordnungen bei sehr hohen Frequenzen eingesetzt werden. Besonders kritisch dabei sind die parasitären Induktivitäten der eingangsseitigen Leitungsanschlüsse sowie der nach Masse geführten Leitungsanschlüsse eines Mikrowellengehäuses. Die Induktivität der nach Masse geführten Leitungsanschlüsse ist besonders kritisch, da sie nicht zugänglich ist und nicht mit Hilfe zusätzlicher externer Komponenten durch Abstimmung kompensiert werden kann. Die kritische parasitäre Kapazität Ist die Rückkopplungskapazität zwischen dem ausgangsseltlgen Leiterelement und dem eingangsseitigen Leiterelement„ die ebenfalls nicht durch zusätzliche abgestimmte Komponenten kompensiert werden kann. Bei den meisten Anwendungsfällen für Mikrowellentransistoren ist es erforderlich, den Emitter hzi-i. die Basis mit Masse zu verbinden. Jedoch muss der ^qI I ekt organs chi us s derartig ausgebildet sein, dass er eine niedrige thermische Impedanz bezüglich der Wärmeableitung aufweist, um die durch Verlustleistung entstehende Wärme vom Transistor und dessen PN-Übergangen möglichst gut abzuleiten. Aus diesen Anforderungen resultiert eine Vielzahl von Techniken zum Kapseln von Transistoren, wobei die Anschlusslelttingen auf verschiedenen Ebenen angebracht und eine Vielzahl von elektrisch leitenden Teilen sowie elektrisch isolierenden Teilen miteinander verbunden werden. Eine niedrige thermische Impedanz zwischen dem Halbleiterplättchen und einem metallischen Basisteil lässt sich herkömmlicherweise mit Hilfe einer BeryHerde-Scheibe (BeO) verwirklichen, die mit metallischen Flächen zum Kontaktieren des Kollektors versehen ist» Bas Halbleiterplättchen wird auf dieser Bery Horde-Scheibe befestigt«. Bei bekannten Gehäusen sind in der Bery Herde-Scheibe Öffnungen vorgesehen, durch welche vom Basisteil aus Stifte -/erlaufen, um Kontaktanschlüsse zum Halbleiterplättchen. vorzusehen, die eine niedrige

~ 2 - Induktivität

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Induktivität aufweisen. "Jedoch ist die Herstellung von Beryll·- erde-Scheiben mit Öffnungen extrem schwierig, so dass sich ungewöhnlich hohe Fabrikationskosten für viele Anwendungsfälle ergeben. Diese Gehäuse leiden also in wirtschaftlicher Hinsicht unter dem Einfluss der komplexen konstruktiven Ausgestaltung. Von besonderer Bedeutung für die hohen Kosten bei den bekannten Gehäusen ist die spezielle Formgebung -der aus BerylLerde bestehenden Scheiben und die vielschichtige konstruktive Ausgestaltung der metallischen Basisteile sowie die konstruktive Gestaltung der Leiterelemente und der dazwischenliegenden isolierenden Schichten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde,' ein Gehäuse für im Mikrowellenbereicn betriebene Halbleiterelemente zu schaffen, das sehr niedrige parasitäre elektrische Komponenten und eine" wirtschaftliche Herstellung gewährleistet. Insbesondere soll es möglich sein, die Induktivität der Emitteranschlussleitungen auf ein Minimum herabzudrücken und den thermischen Widerstand zx-jxsetien dem Halbleiterplättchen und ■ dem Basisteil möglichst gering zu halten.

Diese Aufgabe wird, ausgeixend von dem eingangs erwähnten Halbleitergehäuse, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass neben der thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Schicht auf dem Basisteil zumindest eine erste Kontaktierschiene angebracht ist, welche die Oberfläche des Basisteils

>erragt, und dass in der zuzeiten elektrisch isolierenden Scnicht eine Öffnung ausgebildet ist, innerhalb vrelcher die Oberfläche des Basisteils, die thermisch leitende und elektrisch isolierende Schicht und die Kontaktierschiene"freiliegend angeordnet sind.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

- 3 - Die

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Die Erfindung lässt sich "besonders vorteilhaft "bei einem Mikrowellengehäuse verwirklichen, bei dem auf dem Basisteil zwei parallel zueinander verlaufende Kontaktierschienen in dessen Oberfläche ausgebildet sind. Zwischen diesen beiden Kontaktierschienen ist eine rechteckige Keramikschicht aus BeryHsrde angeordnet, die als elektrische Isolation gegenüber dem Basisteil wirkt, jedoch einen sehr geringen thermischen Widerstand zwischen dem ilalbleiterplättchen auf der Beryllerde-Scheibe und dem Basisteil gewährleistet. Die freiliegende Oberfläche der BeryHerde-Scheibe ist mit einer Metallschicht versehen, die als Kontaktierfläche für den Kollektoranschluss des Halbleiterplättchens dient. Die Kontaktierschienen haben eine Höhe, die etwa der Dicke der BeryHsrde-Scheibe entspricht, um die Befestigung der Kontaktierdrähte an diesen Schienen möglichst einfach zu gestalten und die Induktivität sowie den Widerstand dieser Kontaktierdrähte möglichst gering zu halten. Eine weitere elektrisch isolierende Schicht aus Aluminiumoxyd ist auf dem Basisteil angeordnet und im Zentrum mit einer Öffnung, versehen, in der die beiden Kontaktierschienen und die BeryUerde-Scheibe zu liegen kommen. An der Aluminiumoxyd-Scheibe sind zwei metallische Leiterelemente angebracht, die z.B. als Basisanschluss und als Kollektoranschluss für einen Transistor dienen können. Zwischen den Kontaktierflächen des Emitters des Halbleiterplättchens und den Kontaktierschienen können eine Vielzahl von Kontaktdrähten hin- und hergeführt werden, wobei diese vorzugsweise symmetrisch nach entgegengesetzten Seiten zu den beiden Kontaktierschienen geführt werden. Dadurch lässt sich die Länge der Drähte und die Induktivität auf einem Minimum halten. Mit einer weiteren Vielzahl von Anschlussdrahten wird eine Verbindung zwischen der Kollektorkontaktfläche auf der Berylbrde-Scheibe und dem dem Kollektor zugeordneten Leiterelement her-

gestellt. Auf diese Weise lässt sich auch für diese Leiterstrecke eine möglichst niedrige Impedanz vom Leiteranschluss zum Kollektor des Halbleiterplättchens ermöglichen. Entspx-echend

- 4 - sind

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sind auch die Basiskontaktflächen auf dem Halbleiterplättchen über eine Vielzahl von parallel geführten Drähten mit dem zugeordneten Leiterelement auf der Aluminiumoxydschicht verbunden, um auch für diese Leiterstrecke eine möglichst niedrige Impedanz zwischen dem der Basis zugeordneten Leiterelement und der. Basiselektrode des Halbleiterplättchens zu schaffen. Durch eine entsprechende Abdeckung, die hermetisch mit dem Gehäuse verbunden ist, werden die Anschlussteile im Innern des Gehäuses vor äusseren Einflüssen geschützt.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Ausführungsform gemäss Fig. 1, aus dem eine hermetische Abdichtung des Mikrowellengehäuses entnehmbar ist.

Gemäss Fig. 1. .umfasst ein Mikrowellengehäuse 10 einen Basisteil 14, von dem zwei parallel zueinander verlaufende Kontaktierschienen 22 und 24 mit rechteckigem Querschnitt abstehen. Auf dem Basisteil ist eine isolierende Keramikschicht 18 angebracht, in der eine rechteckige Öffnung 20 ausgebildet ist. Die Kontaktierschiene^n 22 und 24 befinden sich innerhalb dieser Öffnung 20. Zwischen den Kontakt!erschienen 22 und 24 ist auf dem aus Silber bestehenden Basisteil 14 eine thermisch leitende und elektrisch isolierende Keramikschicht 26 aufgelötet. Das Halbleiterplättchen 30 eines Mikrowellentransistors ist mit einer Metallschicht 28 verbunden,' die auf der freiliegenden Oberfläche der Keramikschicht 26 ausgebildet ist. An gegenüberliegenden Seiten der Öffnung 20 sind auf der Oberfläche der Keramikschicht 18, die-aus Aluminiumoxyd bestehen

- 5 - kann

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kann, metallische Bereiche 32 und 34 ausgebildet. Zu dem metallischen Bereich 34 verläuft ein Leiterelement 36, das seitlich über das Mikrowellengehäuse 10 absteht. Ein weiteres Leiterelement 38 ist auf dem metallischen Bereich 32 angeordnet und ragt ebenfalls aus dem Mikrowellengehäuse 10 heraus.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Basisteil 14 aus einem prägbaren Metall, vorzugsweise Silber, ausgeformt und mit einer Trägerschicht 16 verbunden, die aus einem anderen Metall, wie z.B. Kupfer, bestehen kann. Diese Trägerschicht 16 kann z.B. auch mit einem Gewindeansatz versehen sein, um das Mikrowellengehäuse 10 einfach auf einem Chassis montieren zu können. Für andere Anwendungsfälle, z.B. bei einer Anordnung des Mikrowellengehäuses im Verlauf einer Bandleitung kann auch auf die Trägerschicht 16 verzichtet werden. Die beiden Kontaktierschienen 22 und 24 sind aus dem Basisteil 14- herausstehend beim Prägen mit ausgebildet. Die Keramikschicht 18 besteht aus Aluminiumoxyd und ist mit dem Basisteil 14, wie bereits erwähnt, verlötet. Es mag vorteilhaft sein, für gewisse Anwendungsfälle die Keramikschicht aus zwei separaten Teilen herzustellen, wobei jeder einzelne Teil jeweils neben einer entsprechend zugeordneten Kontaktierschiene angebracht ist. -Die thermisch leitende und elektrisch isolierende Keramikschicht 26 besteht vorzugsweise aus Berylerde und ist auf den Basisteil 14 zwischen den Kontaktierschienen 22 und 24 aufgelötet. Das Halbleiterplättchen 30 des Mikrowellentransistors kann in herkömmlicher Weise auf der die Keramikschicht 26 überziehenden Metallschicht 28 angelötet sein. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, kann eine Vielzahl von Kollektoranschlussdrähten 40 mit dem Leiterelement 36 einerseits und dem Kollektorkontaktbereich 28 andererseits verbunden sein. Eine Vielzahl von Basisanschlussdrähten 42 kann mit der Basiselektrode des Transistors 30 und mit dem Leiterelement 38 verbunden sein. Eine weitere Vielzahl von parallel geführten

- 6 - Drähten

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Drähten 44 kann .stichartig von der Kontaktierschiene 22 zur ' Emitterelektrode des Transistors und auch zur Kontaktierschiene 24 geführt, und mit diesen verbunden sein. Die "Verwendung der getrennten Kontaktierschienen 22 und 24 mit einer etwa gleichen Höhe wie die Dicke der isolierenden Berylerde-Schicht 26 ermöglicht,die Kontaktierung mit kürzest möglichen Drahtlängen vorzunehmen, wodurch eine Verringerung der Induktivität einerseits und eine Vereinfachung des Kontaktierverfahrens andererseits möglich ist. ..

Eine bevorzugte Ausführungsform für das hermetische Abdichten des Mikrowellengehäuses 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Mit den metallischen Bereichen 32 und 34 sowie mit den Leiterelementen 36 und 38 und der Keramikschicht 18 aus vorzugsweise Aluminiumerde ist ein gläserner Dichtring 46 verschmolzen. Ein weiterer gläserner Dichtring 48. ist mit einem Metallring 50 einerseits und andererseits mit den Leiterelementen'36 und 38 und ausserdem mit dem unteren Dichtring 46 verschmolzen. Auf den Metallring 50 ist sodann ein metallischer Deckel 52 elektrisch aufgeschweisst. Die Rückkopplungskapazität des Mikrowellengehäuses 10 ist extrem klein, da zwischen dem als Basisanschluss dienenden Leiterelement 38 und dem als Kollek— toranschluss dienenden Leiterelement 36 keine Überlappung vorhanden ist. Wenn der Transistor in Basisschaltung betrieben wird, ist mit den Kontaktierschienen 22 und 24 die Basiselektrode anstelle der Emitterelektrode verbunden, wobei sich ebenfalls eine extrem niedrige Euckkopplungskapazität ergibt. Die maschenartige Kontaktierung ergibt sich aus einem Kontak— tierverfahren, bei dem ein einziger Draht nacheinander zu zumindest drei verschiedenen Punkten geführt und jeweils damit verlötet bzw. verschweisst wird. In dem Mikr.owellengehäuse 10 bilden die parallel geführten Drähte 44 für den Eraitteranschluss einen Dipol,, wodurch die Induktivität verringert wird. Es ist jedoch auch möglich, diese der Kontaktierung des Emitters dienenden Drähte 44 von der einen

- 7 - Kontaktierschiene

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Kontaktierschiene zum Emitterkontaktbereich auf dem HaIbleiterplättchen 30 und wieder zurück zu einem daneben liegenden Punkt auf derselben Kontaktierschiene zu führen. Mit der nächsten maschenartigen Kontaktierung kann der nächste Emitterkontaktbereich mit der anderen Kontaktierschiene in derselben Veise verbunden x-rerden. Die Induktivitäten, die sich durch diese beiden Arten der Kontaktierung ergeben, sind im wesentlichen gleich. Das Mikrowellengehäuse 10 ist beispielsweise mit einer Basisteil-Abmessung von etwa 3,9 x 7»6 mm ausgeführt worden, wobei eine Rückkopplungskapazität zwischen dem Kollektor und der Basis von etwa 0,012piJ eine Eingangsinduktivität der Basisleitung von etwa 0,InH und eine Masseinduktivität der Emitterleitung von·etwa 0,05nH festgestellt werden konnten. Um eine gleichförmige Impedanz für Mikrowellenfrequenzen von jedem Anschluss zu jedem Punkt der entsprechenden Elektrode des Transistorplättchens 30 zu erhalten, wird eine symmetrische Einspeisung vorgesehen. Dabei versteht man unter der symmetrischen Einspeisung die Verwendung von relativ gesehen gleichen Drahtlängen zwischen dem Leiterelement und dem benachbarten Kontaktbereich einer Elektrode auf dem Halbleiterplättchen. Wenn diese Kontaktierdrähte für eine Elektrode symmetrisch angeordnet sind und gleiche Drahtlängen aufweisen, werden diese Voraussetzungen für eine symmetrische Einspeisung erfüllt. Wenn jedoch die Drahtlängen wesentliche Unterschiede aufweisen, ergeben sich auch unterschiedliche Induktivitäten, so dass viel mehr Energie zu demjenigen Kontaktbereich des Halbleiterplättchens übertragen wird, das über kürzere Kontaktdrähte angeschlossen ist_s als zu dem über längere Eontaktdrähte angeschlossenen ■ Kontaktbereich. Da in der Regel mehr Strom über den Emitter eines Transistors als über dessen Basis fliesst, ist diese symmetrische Einspeisung in der Regel auch sehr viel wichtiger für den Emitteranschluss. Dies gilt insbesondere, da ein grösserer Unterschied bezüglich des Spannungsabfalles an den unterschiedlichen Impedanzen einer unsymmetrischen Emitter-

- 8 - kontakt ierunn;

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kontaktierung sich bei höheren und nicht bei kleineren Strömen einstellt und die sich daraus ergebende ungleichförmige Emitter-Basis-Vorspannung in Durchlassrichtung einen Betrieb des Transistors mit geringerem Wirkungsgrad auslöst. Jedoch sollten für einen optimalen Betrieb sowohl der Emitter als auch der Basisanschluss im oben erläuterten Sinne symmetrisch angesteuert werden. Dies trifft auch für den Koilektoranschluss zu. Der Einfluss einer unsymmetrischen Impedanz für die Kollektoranschlussdrähte kann noch nicht aus den bisherigen Erfahrungen 'eindeutig angegeben werden. Jedoch wurde durch Experimente festgestellt _% dass bei der Ansteuerung des Kollektor-Kontaktbereiches nur von einer Seite, wie dies in Fig. mit Hilfe der Metallschicht 28 erfolgt, bei hohen Frequenzen, wenn der Strom hoch ist, das Betriebsverhalten nachteilig beeinflusst wird. Dabei wird die Leistungsverstärkung bei hohen Frequenzen stark verschlechtert. Es wird angenommen, dass bei der unsymmetrischen Kollektorkontaktierung die Mikrowellenenergie von dem unsymmetrisch kontaktierten Kollektorbereich zum Halbleiterplättchen zurückreflektiert wird und dadurch der Kollektorbereich nicht voll wirksam ausgenutzt wird und keine gleichförmige Verteilung der Verlustenergie im Kollektorbereich gegeben ist. Es wurde auch festgestellt, dass eine vernachlässigbare kapazitive Kopplung und induktive Gegenkopplung zwischen den Kontaktierdrähten unterschiedlicher Anschlussklemmen auftritt, wenn, parallel verlaufende Drähte in einem Abstand von etwa O₅12 mm geführt werden.

Durch die vorstehend beschriebene Erfindung ist es möglich, ein Mikrowellengehäuse für einen Transistor leicht herzustellen, wobei verhältnismässig kleine parasitäre Komponenten für die Rückkopplungskapazität, die Masseinduktivität und die Eingangsinduktivität erzielbar sind, wobei diese parasitären Komponenten wesentlich günstiger liegen als bei vergleichbaren Gehäusen bekannter Art. Für Gehäuse vergleichbarer Herstellungskosten ergeben sich neben diesen günstigeren

- 9 - parasitären

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parasitären Komponenten auch ein günstigeres Betriebsverhalten für einen Mikrowellentransistor im Bereich hoher Frequenzen im Vergleich zum bekannten Stand der Technik. Die niedrigen Werte für die parasitären Komponenten und die verhältnismässig niedrigen Herstellungskosten, die 'sich bei dem Mikrowellengehäuse gemäss der Erfindung ergeben, leiten sich direkt von der Kombination der beiden parallel verlaufenden und aus dem Basisteil herausgeprägten Kontaktierschienen, der metallisierten Scheibe aus BeryHerde, der metallisierten, mit einer öffnung versehenen Scheibe aus Aluminiumoxid, den metallischen Leiterelementen und der symmetrischen Kontaktierung des Transistors ab, wobei insbesondere durch die Leiterelemente und die beiden Kontaktierschie-nen ein Gehäuse möglich ist, das im wesentlichen nur eine konstruktive Ebene auf dem Basisteil hat. Dieses Mikrowellengehäuse kann, wie für den Fachmann ohne weiteres erkennbar, in sehr vorteilhafter Weise für Mikrowellen-Feldeffekttransistoren verwendet werden, wobei die Kontaktierschienen als Masseleitex· Verwendung finden.

- 10 - Patentansprüche

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Claims

235235?

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Patentansprüche

Halbleitergehäuse mit niedrigem Wert für parasitäre elektrische Komponenten, wobei auf einem metallischen Basisteil eine erste thermisch leitende und elektrisch isolierende Schicht, die auf der Oberfläche mit einer Metallschicht versehen ist, und eine zweite elektrisch isolierende sowie mit ersten und zweiten metallischen Bereichen versehene Schicht angeordnet sind, und mit auf den ersten und zweiten metallischen Bereichen jeweils angebrachten sowie aus dem Gehäuse herausstehenden Leiterelementen, dadurch gekennzeichnet, dass neben der thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Schicht (26) auf dem Basisteil (14) zumindest eine erste Kontaktierschiene (22) angebracht ist, welche die Oberfläche des Basisteils überragt, und dass in der zweiten elektrisch isolierenden Schicht (18) eine Öffnung (20) ausgebildet ist, innerhalb welcher die. Oberfläche des Basisteils (14\ die thermisch leitende und elektrisch isolierende Schicht (26) und die Kontaktierschiene (22) freiliegend angeordnet sind.

Halbleitergehäuse nach Anspruch 1, dadurch g e k e n η zeichnet., dass innerhalb der Öffnung (20) eine zweite Kontaktierschiene (24) auf dem Basisteil (14) parallel zur .ersten Kontaktierschiene angebracht ist, wobei die erste thermisch leitende und elektrisch isolierende Schicht (26) zwischen den beiden Kontaktierschienen liegt.

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Halbleitergehause nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die erste und zweite Kontaktierschiene jeweils einstückig mit dem Sasisteil (14) ausgebildet sind.

Halbleitergehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenxiz e i'chne t, dass die erste thermisch leitende und elektrisch isolierende Schicht (26) aus Beryllerde und die zweite elektrisch isolierende Schicht (18) aus Aluminiumoxyd hergestellt sind.

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