DE1085262B - Verfahren zur Herstellung von mit vakuumdichten Einschmelzungen versehenen Sinterkoerpern, die als Sockel fuer elektrische Anordnungen, insbesondere Halbleiteranordnungen dienen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit vakuumdichten Einschmelzungen versehenen Sinterkörpern, die als Sockel für elektrische Anordnungen dienen, bei dem ein schmelzbares, isolierendes Material körniger Konsistenz um die in bestimmter gegenseitiger Lage in einer Preßform angeordneten Zuleitungen verteilt und anschließend einem Preß- und Sinterverfahren unterworfen wird.

Die Herstellung derartiger Sinterkörper, die in sich und hinsichtlich der Einschmelzungen von metallischen Zuführungsleitungen vakuumdicht abschließen, hat neuerdings insbesondere im Zusammenhang mit der Entwicklung auf dem Halbleitergebiet, insbesondere mit der Transistorherstellung, erhöhte Bedeutung gewonnen. Wegen der Feuchtigkeits- und Verunreinigungsempfindlichkeit von Halbleiteranordnungen ist es erwünscht, sie in vakuumdichtschließenden Umhüllungen unterzubringen. Gebräuchliche Ausführungsformen derartiger Umhüllungen weisen einen an einem Ende offenen becherförmigen Metallmantel auf, welcher die Halbleiteranordnung teilweise umschließt und an seiner offenen Seite mit einem geeigneten Abschlußteil, beispielsweise einem Sockel, welcher einen isolierenden Kern aus gesintertem, keramischem oder sonstigem Material aufweist, verschlossen ist. Durch diesen isolierenden Kern müssen die elektrischen Zuleitungen zu der im Inneren befindlichen Halbleiteranordnung vakuumdichtschließend hindurchgeführt werden. Üblicherweise ist der Sockel in der Weise ausgeführt, daß der erwähnte Sinterkörper von einem metallischen Bund umgeben ist, der mit dem Sinterkörper vakuumdicht schließt und gleichzeitig eine einfache Verbindung mit dem becherförmigen Metallmantel gestattet.

Bei der Herstellung derartiger Sockel mit Bund und Sinterkörper besteht einmal die Aufgabe, genau die erforderliche Menge des für die Herstellung des Sinterkörpers verwendeten isolierenden, schmelzbaren Materials vorzusehen. Ist die verwendete Menge zu groß, kann es vorkommen, daß das Material beim Sintern über den Rand bzw. den Umfangsflansch des Bundes hinausfließt, wodurch der vakuumdichte Abschluß mit der Metallumhüllung erschwert oder verhindert wird; bei Verwendung einer zu geringen Menge des Schmelzmaterials ergibt sich eine unzureichende mechanische Festigkeit, welche ebenfalls die Dichtigkeit des Abschlusses beeinträchtigen kann.

Ein weiteres Problem bei der Herstellung derartiger Sinterkörper ist die Aufrechterhaltung der für die Zuleitungen vorgeschriebenen richtigen Lage während des gesamten Herstellungsverfahrens.

Ein weiteres Problem besteht hinsichtlich der Erzielung eines wirklich vakuumdichten Abschlusses zwischen dem Sinterkörper und den eingeschmolzenen Verfahren zur Herstellung
von mit vakuumdichten Einschmelzungen versehenen Sinterkörpern, die als Sockel

für elektrische Anordnungen,

insbesondere Halbleiteranordnungen

dienen

Anmelder:

Philco Corporation,

Philadelphia, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. April 1957

Henry Paul Beerman, Skokie, 111.,

und Ford Kenyon Clarke, Chalfonte, Pa. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

Zuleitungen sowie gegebenenfalls zwischen dem Sinterkörper und dem diesen umgebenden metallischen Bund.

Es sind Verfahren, zur Herstellung derartiger mit vakuumdichten Einschmelzungen versehener Sinterkörper, die als Sockel für elektrische Anordnungen verwendbar sind, bekannt, bei welchen ein schmelzbares, isolierendes Material körniger Konsistenz, wie beispielsweise Glaspulver, um die in bestimmter gegenseitiger Lage in einer Preßform angeordneten Zuleitungen verteilt und anschließend einem Preß- und Sinterverfahren unterworfen wird.

Es ist ein Verfahren dieser Art bekannt, bei dem das körnige Material ohne Bindesubstanz vor dem Sintern im kalten Zustand unter Aufrechterhaltung der vorbestimmten Lage der Zuleitungen hinreichend stark gepreßt und anschließend unter Druck gesintert wird.

Es ist ferner ein ähnliches Verfahren bekannt, welches sich von dem vorerwähnten dadurch unterscheidet, daß das körnige Material mit einer Bindesubstanz vor dem Sintern im kalten Zustand stark gepreßt und anschließend druckfrei gesintert wird.

Schließlich ist auch ein Verfahren dieser Art zur Herstellung von mit vakuumdichten Einschmelzungen

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versehenen Sinterkörpern bekannt, bei dem die Sinte- Herstellungsverfahrens wiedergibt, wobei der Schnitt

rung ohne zusätzlichen Druck und ohne Bindesubstanz in einer die Längsachse der Vorrichtung enthaltenden

erfolgt. Ebene geführt ist,

Bei all diesen bekannten Verfahren besteht eine Fig. 4 den Preßvorgang während des Herstellungs-Schwierigkeit darin, die richtige Lage der Zuleitun- 5 Verfahrens,

gen innerhalb des Sinterkerns während des Herstel- Fig. 5 den selbsttragenden, mechanisch zusammen-

lungsverfahrens zu gewährleisten. Hierzu war es bis- gefügten Sockel vor dem Brennen oder dichten Ab-

her erforderlich, die gewünschte Lage der Zuleitungen schließen.

während des gesamten Herstellungsverfahrens, insbe- Das vorliegende Herstellungsverfahren kann so

sondere auch während des Sinterverfahrens, durch io ausgeführt werden, daß ein Gemisch von Materialien

besondere äußere Einrichtvorrichtungen in Gestalt mit verschiedenen Schmelzpunkten mit wenigstens

von Lehren od. dgl. aufrechtzuerhalten. Dies führt ins- einem verfiüssigbaren Bestandteil in körniger Form,

besondere bei denjenigen Verfahren, bei welchen die beispielsweise Glaspulver, um in einer bestimmten

Sinterung unter Druck bzw. mit einer Pressung er- gegenseitigen Lage in einer Preßform angeordnete

folgt, zu Schwierigkeiten; aber auch bei den Verfah- 15 Zuleitungen zusammengepreßt wird, wobei durch die

ren mit Sinterung ohne Preßdruck stellt die Notwen- mechanische Zusammenfügung der Teilchen eine hin-

digkeit, äußere Lehren zur Aufrechterhaltung der reichend innige Berührung zwischen den Zuleitungen

richtigen Lage der Zuleitungen zu verwenden, einen und dem Kernmaterial erzielt wird.

erheblichen Nachteil dar. Insbesondere gilt dies bei Es wird darauf hingewiesen, daß der im folgenden

der Herstellung von Sinterkörpern für Sockel von 20 gebrauchten Bezeichnung »Glas« eine breite Bedeu-

Halbleiteranordnungen wegen der häufig äußerst klei- tung zukommt; sie schließt Gläser, Fritten, Glasuren

nen Abmessungen und der damit verbundenen engen und andere Materialien ähnlicher Art ein.

Toleranzen. Diese kalt gepreßten Einheiten werden sodann in

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver- einen Ofen gebracht und auf eine zwischen den fahren zu schaffen, bei dem die genannten Nachteile 25 Schmelzpunkten der den Abschluß bildenden Stoffe der bekannten Verfahren vermieden werden und das liegende Temperatur erhitzt, wobei die Bezeichnung besonders zur Verwendung bei der Herstellung von Schmelzpunkt in bezug auf Glas durch den Bereich Halbleiteranordnungen, d. h. bei hohen Anforderun- der Temperatur gegeben ist, in welchem üblicherweise gen an die Genauigkeit und an den Reinheitsgrad bei Dichtungsabschlüsse ausgeführt werden. Durch die geringen Abmessungen der Gesamtanordnung geeig- 30 Anwendung einer zwischen den Schmelzpunkten der net ist und andererseits eine für fabrikatorische An- weiteren Bestandteile liegenden Brenntemperatur wendung im großen Maßstab geeignete Einfachheit werden die Zuleitungsdrähte mit dem niedrigeraufweist, schmelzenden Bestandteil des Kerns hermetisch ab-

Zu diesem Zweck wird das Verfahren der eingangs schließend verbunden, während das Material mit genannten Art gemäß der Erfindung so ausgeführt, 35 höherem Schmelzpunkt in Form einzelner, miteindaß zur Herstellung des Sinterkerns ein Gemisch von ander und mit den Zuleitungen durch den zement-Materialien mit verschiedenen Schmelzpunkten mit artig gesinterten Kern verbundener Teilchen zurückwenigstens einem verflüssigbaren Bestandteil verwen- bleibt, wobei dieses Konglomerat zur Erhaltung der det wird und daß dieses Gemisch beim Sintern auf für die richtige Drahthalterung während der Abdichteine oberhalb des Schmelzpunktes des verflüssigbaren 40 phase erwünschten mechanischen Starre dient. Diese Bestandteils, jedoch unterhalb der Schmelzpunkte der Regelung des Flüssigkeitsgrades der zusammenübrigen Bestandteile liegende Temperatur erhitzt gesetzten Masse durch geeignete Bemessung des Anwird, teiles hoch- und niedrigschmelzender Bestandteile ge-

Durch diese Maßnahme werden die mit der Auf- stattet ein einfaches Verfahren zur richtigen Halterung

rechterhaltung der richtigen Lage der Zuleitungen bei 45 der Zuleitungen während des Abdichtens und erübrigt

den bisher bekannten Verfahren verbundenen Schwie- somit die Notwendigkeit äußerer Einrichtmittel für

rigkeiten vermieden. Es bildet sich dann nämlich wäh- die Zuleitungen.

rend des Sinterns eine Dispersion in dem somit nur Das richtige Gemisch, d. h. der jeweils zum Erhalt

teilweise verflüssigten Sinterkern, der dadurch eine der erforderlichen hermetischen Abdichtung und der

zur selbsttätigen Aufrechterhaltung der richtigen 50 zur Leitungshalterung erforderlichen mechanischen

Lage der Zuleitungen ausreichende mechanische Starre geeignete Prozentgehalt der einzelnen Stoffe,

Eigenstarre auch während des Sinterns behält. kann in jedem einzelnen Fall experimentell leicht be-

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungs- stimmt werden.

form der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Herstel- Insbesondere muß das den Kern bildende Gemisch

lung des Sinterkerns ein homogenes Gemisch von 55 den richtigen Anteil an hitzebeständigen und an

Glaspulvern mit verschiedenen Schmelzpunkten ver- niedrigschmelzenden Materialien aufweisen, damit

wendet wird, welches bei dem anschließenden Sinter- während des Abdichtverfahrene ein festflüssiger Kom-

prozeß auf eine zwischen den Schmelzpunkten der plex gebildet wird, der hinreichend viskos ist, um die

verschiedenen Bestandteile liegende Temperatur er- zur Aufrechterhaltung der vorgeschriebenen gegen-

hitzt wird. 60 seitigen Lage der Zuleitungen während des Brennens

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung erforderliche mechanische Starre aufzuweisen, wäh-

ergeben sich aus der Beschreibung des Ausführungs- rend er zum anderen gleichzeitig eine brauchbare her-

beispiels an Hand der Zeichnung; in dieser zeigt metische Abdichtung gestattet.

Fig. 1 in Ansicht eine Halbleiteranordnung, die In Fig. 1 ist ein hermetisch abgeschlossener Transi-

eine Ausführungsform der Erfindung verkörpert, wo- 65 stör 10 dargestellt. Diese Ausführung weist eine den

bei Teile weggebrochen sind, Transistor 12 umhüllende becherförmige Metallhülse

Fig. 2 eine bei der Herstellung dieser aus einem 11 sowie einen nach dem vorliegenden Verfahren her-

Stück bestehenden Sockel dienende Vorrichtung in gestellten Sockel 13 auf, wobei die beiden Teile ent-

auseinandergenommenem Zustand, lang der Verbindungsflächen ihrer Umfangsflansche

Fig. 3 einen Querschnitt, der die Anfangsphase des yu 14 und 15 hermetisch abgeschlossen werden.

In Fig. 2 ist mit 19 eine Preßform bezeichnet, welche einen Hohlraum 20 aufweist, in dessen Boden öffnungen 21 in geeigneter Anordnung vorgesehen sind, welche die Leitungen 18 aufnehmen und in ihrer richtigen Lage halten. Der Hohlraum 20 ist von solcher Tiefe, daß der Bund 16 beim Einsetzen in diesen Hohlraum auf dessen Boden 22 auf ruht, während die Unterseite des RandHansches 15 des Bundes gerade gegen die Oberseite des Würfels 19 zum Anliegen kommt. ίο

Der Anfangsschritt des Herstellungsprozesses besteht lediglich darin, daß geeignete Leitungen, beispielsweise die mit 18 bezeichneten Zuleitungen von etwa 0,4 mm Stärke, sowie der Stahlbund 16 in die sie jeweils aufnehmenden öffnungen eingeführt werden. Wenn diese Teile ihre Lage, wie in Fig. 3 gezeigt, einnehmen, wird im darauffolgenden Verfahrensschritt der Hohlraum 20 mit einer pulverförmigen Glasmischung 23 gefüllt. Eine bevorzugte Zusammensetzung dieser Mischung bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält 15 bis 20 Gewichtsprozent einer pulverförmigen Glasfritte mit niedrigem Schmelzpunkt, die bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 650° C einen dichten Abschluß liefert. Ansonsten enthält die Mischung noch eine hitzebeständigere Fritte, die bei Temperaturen zwischen 800 und 825° C normalerweise einen dichten Abschluß ergibt.

Diese Mischung aus Glaspulver oder Fritten wird sodann mit Hilfe des in geeigneter Weise mit OfF-nungen versehenen Zylinders 24 zusammengepreßt, der mittels hydraulischer oder sonstiger Vorrichtungen unter Druck mit der Mischung in Berührung gebracht wird, wobei die öffnungen 25 in dem Druckzylinder 24 so gerichtet und angeordnet sind, daß sie mit den in dem Würfel bzw. der Form 22 vorgesehenen Leitungsführungen so zusammenpassen, daß die richtige Lage der Leitungen während dem Zusammenpressen der Mischung erhalten bleibt, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

Der vorzugsweise aus etwa 0,25-mm-Material gearbeitete Bund 16 hat einen Innendurchmesser von etwa 3,8 mm. Es wurde festgestellt, daß eine mittels des Zylinders 24, der in dem Bund 16 gleiten kann, auf das Gemisch ausgeübte Kraft von etwa 1360 kg eine hinreichende mechanische Verbindung der Teilchen hervorruft, um die Zuleitungen während der folgenden Schritte des Herstellungsverfahrens in der erforderlichen Lage zu halten, und daß der Druck eine innige Berührung zwischen den Zuleitungen und dem Kern gewährleistet, so daß ein ausreichend dichter Abschluß beim darauffolgenden Brennen erzielt wird. Darüber hinaus dient diese durch Druck hervorgerufene mechanische Verbindung der Teilchen dazu, das schmelzbare Kernmaterial in dem Bund so zu befestigen, daß das aus Bund und zusammengepreßtem Kern bestehende Ganze nach dem Herausnehmen aus der Form ein selbsttragendes, gut zusammengefügtes Gebilde darstellt. Diese kalt gepreßten Sockel nach Art von Fig. 5 werden hierauf in einem elektrischen Ofen oder mit einer sonstigen Vorrichtung auf eine Temperatur von ewa 765° C erhitzt, wobei mit dieser Temperatur recht zufriedenstellende Ergebnisse erzielt wurden. Diese Brenntemperatur ist jedoch nicht kritisch, sondern liegt zwischen den Temperaturen, bei welcher einer der Glasbestandteile schmelzen würde, wenn er allein verwendet würde, so daß ein Kern entsteht, in welchem die niedrigschmelzende Fritte als die glasige Phase dient, welche sich mit dem homogen verteilten hitzebeständigen Material zur Bildung einer fest gefügten Masse vereinigt, während die nicht gesinterten Teilchen des Kerns dazu dienen, die Festigkeit des zusammengesetzten Gemisches so weit zu erhöhen, daß die Mater allen während des Abdichtverfahrens auftretenden Verzerrungskräften standhält und so die Aufrechterhaltung der gewünschten Lage der Zuleitungen stets gewährleistet.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von mit vakuumdichten Einschmelzungen versehenen Sinterkörpern, die als Sockel für elektrische Anordnungen, insbesondere Halbleiteranordnungen, dienen, bei dem ein schmelzbares, isolierendes Material körniger Konsistenz um die in bestimmter gegenseitiger Lage in einer Preßform angeordneten Zuleitungen verteilt und anschließend einem Preß- und Sinterverfahren unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Sinterkerns ein Gemisch von Materialien mit verschiedenen Schmelzpunkten mit wenigstens einem verflüssigbaren Bestandteil verwendet wird und daß dieses Gemisch beim Sintern auf eine oberhalb des Schmelzpunktes des verflüssigbaren Bestandteils, jedoch unterhalb der Schmelzpunkte der übrigen Bestandteile liegende Temperatur erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Sinterkerns ein homogenes Gemisch von Glaspulvern mit verschiedenen Schmelzpunkten verwendet wird, welches bei dem anschließenden Sinterprozeß auf eine zwischen den Schmelzpunkten der verschiedenen Bestandteile liegende Temperatur erhitzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestandteile des Gemisches mit verschiedenen Schmelzpunkten in solchem Verhältnis gewählt werden, daß der Kern bei dem nachfolgenden Sinterprozeß eine Dispersion nicht gesinterter Teilchen in dem teilweise verflüssigten Gemisch bildet, derart, daß der Kern während des Sinterns eine zur Aufrechterhaltung der richtigen gegenseitigen Lage der Zuleitungen hinreichende mechanische Starre aufweist und daß gleichzeitig eine hermetisch dichte Verbindung der Zuleitungen mit dem Sinterkern erzielt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch von Stoffen mit verschiedenen Schmelzpunkten vor dem Sintern zu einer selbsttragenden, festgefügten Masse gepreßt wird, welche die Lage der . darin angeordneten Zuleitungen aufrechterhält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkern in einem metallischen Bund von im wesentlichen zylindrischer Gestalt hergestellt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1764699; schweizerische Patentschriften Nr. 222 880, 242035.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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