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DE1250005B - - Google Patents

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DE1250005B
DE1250005B DENDAT1250005D DE1250005DA DE1250005B DE 1250005 B DE1250005 B DE 1250005B DE NDAT1250005 D DENDAT1250005 D DE NDAT1250005D DE 1250005D A DE1250005D A DE 1250005DA DE 1250005 B DE1250005 B DE 1250005B
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DE
Germany
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semiconductor
housing
cup
ring
cup shape
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Application number
DENDAT1250005D
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English (en)
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
HOIl
Deutsche KL: 21 g -11/02
Nummer: 1250005
Aktenzeichen: M 51696 VIII c/21 g
Anmeldetag: 5. Februar 1962
Auslegetag: 14. September 1967
Halbleiterbauelemente bestehen aus einer größeren Anzahl verhältnismäßig kleiner Einzelteile, die diffizil in der Handhabung sind und sehr geschickte Hände bei der Montage erfordern. Für den Zusammenbau werden gut ausgebildete Fachkräfte benötigt, so daß die Herstellungskosten relativ hoch sind.
Bei bekannten Halbleiterbauelementen sind die zusammenzubauenden Einzelteile nicht so zweckmäßig ausgebildet, daß im Interesse niedriger Produktionskosten und geringen Ausschusses ein exakter Zusammenbau mit der angestrebten hohen Montagegeschwindigkeit erreicht werden kann. Dies gilt insbesondere, da die aktiven Halbleiterelemente aus Gründen der Stabilität ihre Charakteristiken in hermetisch verschlossene Gehäuse eingebaut werden. Bei einer bekannten Halbleiterdiode, bei der das aktive Element zwischen scheibenförmigen Elektroden angeordnet ist, ist ein Pyramiden- oder terrassenförmiger Aufbau vorgesehen, wobei die Deckelektrode, das aktive Element und die Grundelektrode zentrisch zueinander übereinandersitzen. Die Deckelektrode besitzt eine Ausnehmung, in die ein Anschlußdraht eingelötet wird, der zu einem Deckelteil führt, das das Gehäuse, in dem der Halbleiteraufbau angeordnet ist, abschließt. Dieses Anschlußdrahtstück ist mit der Innenseite des Deckels verlötet, während an der Außenseite des Deckels der mit der Schaltung zu verbindende Anschlußdraht angelötet ist. Der Deckel selbst ist von einem isolierenden Randteil umgeben, das seinerseits von einem weiteren fianschartigen Ringteil umgeben ist, das mit dem Gehäuse verlötet ist. Die Zentrierung des Halbleiterelementes und der Elektroden zu der gewünschten pyramidenförmigen Anordnung und insbesondere die Verlötung der Anschlußdrahtstücke mit der Deckelektrode und an der Innen- und Außenseite des Deckels erfordert äußerste Sorgfalt und Geschicklichkeit und ist recht zeitraubend, so daß die Herstellung dieses bekannten Halbleiterbauelementes recht teuer ist. Bei einem anderen bekannten Halbleitergleichrichter ist das aktive Element ebenfalls innerhalb eines topfartigen Gehäuses angeordnet, das durch ein aus mehreren Einzelteilen bestehendes Deckelteil verschlossen ist. Von einer Öffnung des Deckelteils führt ein nach Art eines Faltenbalges ausgebildetes biegsames Rohr an die Unterseite des Topfgehäuses zur Deckelelektrode des Halbleiterelementes, an die ein biegsamer Anschlußdraht angelötet ist. Das Faltenbalgrohr schließt das Innere des aus Topf und Deckelteil bestehenden Gehäuses nach außen ab, so daß das aktive Element gegen atmosphärische Einflüsse geschützt ist. Auch bei dieser bekannten Diode müssen die Elektroden und das aktive Element sorgfältig auf-Halbleiteranordnung und Verfahren zu ihrem
Zusammenbau
Anmelder:
Motorola, Inc., Franklin Park, JIl. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27
Als Erfinder benannt:
Donald C. Dickson jun., Phoenix, Ariz.;
Robert M. Bird, Mesa, Ariz. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 6. Februar 1961 (87 136),
vom 10. März 1961 (94 800) - -
einander ausgerichtet werden, so daß eine gegenseitige Verschiebung vor dem Verlöten dieser Teile vermieden wird. Bei einer weiteren bekannten Halbleiterdiode ist das aktive Element zwischen einem Vorsprung eines Grundelektrodenteiles und einem entsprechenden Vorsprung eines Deckelelektrodenteiles eingepreßt, wobei sich das Deckelelektrodenteil während der Montage plastisch verformt, um den gewünschten Anpreßdruck zu beiden Seiten des mit den Elektroden nicht verlöteten aktiven Elementes zu gewährleisten. Die Grundelektrode und die Deckelelektrode sind durch einen Keramikring gegeneinander isoliert, und die ganze Anordnung ist innerhalb eines Isolierkörpers angeordnet. Auch hierbei bereitet der Zusammenbau, insbesondere die Anordnung des aktiven Halbleiterplättchens zwischen den Vorsprüngen der Elektroden gewisse Schwierigkeiten und verlangt große Sorgfalt. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine HaIbleiteranordnung zu schaffen, bei der auch bei einem schnellen Zusammenbau in der Serienherstellung eine exakte Lage der einzelnen Teile zueinander gewährleistet ist und deren Montage keine komplizierten Justierinstrumente erfordert und auch von verhältnismäßig unqualifizierten Arbeitskräften durchgeführt werden kann, so daß die Herstellungskosten gering ge-: halten werden können.
Bei einer Halbleiteranordnung mit einem becherförmigen, strom- und wärmeleitenden metallischen Gehäuseteil, mit einem am Boden der Becherform zentrisch angeordneten Halbleiterkörper und mit einem die Becherform an ihrem offenen Ende dicht
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3 4
abschließenden Deckel, der aus einem Metallring und Lagerung ergeben. Die öffnung des Bechergehäuses 11 einem darin eingesetzten, eine strom- und wärme- ist (F i g. 1 und 3) durch einen Deckel 16 dicht abgeleitende Anschlußleitung umgebenden elektrisch isolie- schlossen.
renden Ring besteht, wird diese Aufgabe gemäß der Das Halbleiterelement besteht bei dem Ausfüh-Erfindung dadurch gelöst, daß der Metallring im 5 rungsbeispiel aus Silizium mit eindiffundiertem pn-Querschnitt derart U-förmig mit ungleichen Schenkeln Übergang. Geeignete Verfahren zur Herstellung eines ausgebildet ist, daß der innere, längere Schenkel in die solchen Halbleiterelementes sind bekannt und bilden Ausnehmung der Becherform in geringem Abstand kein Teil der Erfindung. Auf gegenüberliegenden von ihrer Innenwand hineinreicht, und daß der äußere Flächen des Halbleiterelementes sind metallische kürzere Schenkel zu einem an dem offenen Ende der io Überzüge 18 und 19 vorgesehen (F i g. 1), die durch Becherform angebrachten Schweißring reicht und mit Plattieren aufgebracht werden und vom Lot besser diesem verschweißt ist. Die Montage, insbesondere genetzt werden als das Silizium selbst. Der untere das Aufsetzen des Deckelteils, durch das die Anschluß- Überzug besteht aus Nickel, der obere aus Gold. Die leitung hindurchgeführt ist, erfolgt hierbei infolge der Überzüge sind üblicherweise dünner als 25 μιτι, der selbstzentrierend ausgebildeten Teile zwangläufig nur 15 Halbleiterkörper ist etwa 0,2 bis 0,3 mm dick; der in einer einzigen, und zwar der gewünschten zentri- Durchmesser kann 0,5 bis 3 mm betragen,
sehen Lage. Die Montage läßt sich äußerst schnell und Bei dem zusammengesetzten Bauelement (Fig. 1) einfach und ohne Zuhilfenahme aufwendiger Zen- ist das Halbleiterplättchen 17 am Boden des Bechertriereinrichtungen durchführen. gehäuses 13 angebracht und durch das Lot mechanisch
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann auf 20 und elektrisch mit ihm verbunden. Die Zentrierung dem Boden des Gehäuses ein aus Gettermaterial mit und Einstellung des Halbleiterplättchens im Becherhohem spezifischem Widerstand bestehender Zentrier- gehäuse werden durch einen Zentrierkörper 23 Unterkörper für den Halbleiterkörper aufsitzen. Dieser stützt, der vor Einhängen des Halbleiterelementes ein-Zentrierkörper hilft mit, das Halbleiterplättchen und gesetzt wird. Der Körper 23 wird aus einem Metalldie Lötmittelscheiben mit Bezug zueinander zentrisch 25 Aluminium-Silikat in seiner kristallinischen dehydrierzu halten, bis die Einheit verlötet ist. Darüber hinaus ten Form hergestellt, welche als Molekularsieb benimmt das Gettermaterial des Zentrierkörpers die kannt ist, viele innerkristallinische Hohlräume hat, während der Lot- und Schweißvorgänge umstehenden welche durch Poren miteinander in Verbindung stehen, dampfförmigen unerwünschten Verunreinigungen auf, und einen Zutritt sowie ein Absorbieren von Feuchtigso daß sie sich nicht auf dem Halbleiterelement nieder- 30 keitsdämpfen und Verunreinigungen erlauben, die schlagen und dessen Eigenschaften verschlechtern. sonst das Halbleiterelement 17 ungünstig beeinflussen
Zur Verbindung der durch den Deckel geführten wurden. Derartige Gase können dann ohne Nachteile
Anschlußleitung mit dem Halbleiterkörper ist zweck- im Innern de3 Bauelements 10 verbleiben,
mäßig zwischen diesem und dem inneren Ende der Der Zentrierkörper 23 dient außer zum Absorbieren
Anschlußleitung ein S-förmiges Band vorgesehen, das 35 zur Zentrierung der Einzelteile. Er hat eine zentrale
eine Übertragung möglicher mechanischer Bean- Bohrung 24, deren Gestalt der des rechteckigen HaIb-
spruchungen der Leitung auf das Element selbst ver- leiters 17 entspricht und geringfügig größer als das
hindert. Halbleiterelement sein soll, das mit geringer Toleranz
: Die Montage eines gemäß der Erfindung ausgebilde- eingesetzt und bezüglich der Anschlußleitung 26 zen-
ten Halbleiterbauelementes geschieht in einfacher 40 triert wird. Die Ausnehmung kann auch kreisförmig
Weise dadurch, daß zuerst der Zentrierkörper in die oder von anderer Gestalt sein.
Ausnehmung des Gehäuses eingebracht, danach der Eine Leitung 26 ragt durch den Deckel 16 hindurch. Halbleiterkörper zusammen mit Lotkörpern in den Sie hat ein biegsames S-förmiges Teil 28 am unteren Zentrierkörper eingesetzt, dann der mit der Anschluß- Ende, das ein Arbeiten der Leitung bei Temperaturleitung versehene Deckel auf den Schweißring aufge- +5 Schwankungen erlaubt und dadurch einen Bruch des setzt wird und daß abschließend nach dem Verlöten Halbleiterkörpers oder dessen Lotverbindung verhindes Halbleiterkörpers mit dem Boden des Gehäuses dert. Dieses biegsame Teil kann auch eine andere und mit der Zuleitung der Deckel auf dem Schweißring Gestalt; beispielsweise in Form eines C haben,
verschweißt wird. Das Bechergehäuse 11, die Lotmasse 22 und der
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus 5° metallene Überzug an der Fläche 18 des Halbleiterder folgenden Beschreibung in Verbindung mit den elements 17 stellen eine wärmeleitende ohmsche VerDarstellungen eines Ausführungsbeispiels. Es zeigt bindung mit dem Halbleiterelement auf dessen einer
F i g. 1 einen vergrößerten Schnitt durch eine Seite, das Teil 28, die Lotmasse 21 und der metallene
Ausführungsform eines Halbleitergleichrichters, Überzug an der Fläche 19 auf dessen anderer Seite her.
F i g. 2 eine auseinandergezogene Darstellung des 55 Das Bechergehäuse 11 kann in einen Lagerfuß 29
in F i g. 1 gezeigten Gleichrichters und eingesetzt werden (F i g. 3). Die äußere Fläche kann
F i g. 3 den in einem Lagerfuß eingesetzten Gleich- zu einer Reihe axial verlaufender Rippen geriefelt sein,
richter mit teilweise weggebrochener Darstellung des wie dies in F i g. 2 und 3 bei 31 angedeutet ist, daß es
Lagerfußes. fest im Lagerfuß 29 hält. Der Lagerfuß hat einen mit
Der in den Zeichnungen dargestellte Halbleiter- 60 Gewinde versehenen Zapfen 30 zur Befestigung. Je-
gleichrichter 10, der ein Silizium-Halbleitergleichrich- doch kann das Bauelement 10 auch direkt in eine
ter sein kann, hat ein becherförmiges Gehäuse 11, Ausnehmung einer anderen Lagerung eingepreßt
das die einzelnen Bauteile aufnimmt. Das Becher- werden.
gehäuse 11 besteht vorzugsweise aus Kupfer und hat Das Bechergehäuse 11 und die Leitung 26 werden
eine zylindrische Wand 12 und einen Becher 13, die 65 vorzugsweise aus Kupfer hergestellt und sind mit ihren
genügend dick sind, um somit eine hohe Wärme- innenliegenden Teilen blank. Das Halbleiterelement 17 leitfähigkeit und eine ausreichende Wärmestreuung wird an beiden Seiten direkt an den blanken Kupfer-
und auch eine wirksame Wärmeübertragung zu der teilen angelötet; hierdurch wird an Kosten gespart,
5 6
da es nicht erforderlich ist, die Leitung 26 oder den forderlich. Die Lotscheiben 22, das Siliziumhalbleiter-Boden 13 mit einem oxydationsfesten Metall, wie element 17 und die andere Lotscheibe 21 werden beispielsweise Gold oder Nickel, zu überziehen. Die darauf übereinander in die Ausnehmung eingebracht; Verwendung eines Blei-Zinn-Lotes bei einem Silizium- der Zentrierkörper 23 nimmt die aufeinandergestapelhalbleiterelement zum Anlöten blanker Kupferteile ist 5 ten Teile auf und zentriert sie.
in der Massenproduktion keineswegs befriedigend. Die Durch das Öhr 35 in dem aus Glas bestehenden
Lotmassen 21 und 22 bestehen daher aus einer Indium- oder anderweitig isolierenden Teil des Deckels wird die
Silber-Blei-Legierung, die sich außergewöhnlich gün- Leitung 26 eingeführt, und ein Lotring 39 wird über
stig für das Verlöten eines Silizium-Halbleiterkörpers die Leitung geschoben. Diese Anordnung wird dann
mit Kupfer erwiesen hat. Die Lotmassen 21 und 22 io auf das Bechergehäuse 11 aufgelegt, wobei das Band 28
enthalten 1 bis 10 Gewichtsprozent Indium und bis zu der Leitung die Scheibe 21 berührt. Der Stahlring 37
5 °/0 Silber, wobei der Rest Blei ist. Die besten Resul- des Deckels 16 hat einen Flansch 38, welcher in das
täte werden erzielt, wenn man ein Lot benutzt, welches Innere des oberen Endes des Bechers 11 ragt. Der
5% Indium, 2,5 °/0 Silber und 92,5 °/0 Blei enthält. Deckel 16 wird so in seiner Lage gehalten und hält
Versuche haben gezeigt, daß diese Lotverbindungen 15 seinerseits die Leitung 26 in Ausrichtung mit dem einen ungewöhnlich guten Widerstand gegen Wärme- Halbleiterelement und den Lotscheiben. Der Eingriff ermüdungen haben. Bei diesen Versuchen wurden die zwischen dem Deckelflansch 38 und der Innenwand Lötstellen wiederholter längerer Erwärmung und Ab- des Bechers 11 ist genügend dicht, so daß die Leitung kühlung ausgesetzt. Im besonderen wurden diese aufrecht stehend in der Gehäuseachse gehalten wird. Zusammensetzungen mit nach unten gerichteter Lei- 20 Das Gewicht des Anschlußschalters 26 hält das HaIbtung 26 und mit einem an der Leitung angebrachten lehrelement und die Lotscheiben 21 und 22 mit am Gewicht von 125 ρ in einem Ofen aufgehängt. Die Boden des Lagerfußes, so daß alle zusammenzulöten-Ofentemperatur wurde auf ungefähr etwa 35 bis 400C den Flächen sich fest berühren.
gehalten. Während der Erhitzung wurde das Halb- Das so zusammengesetzte Bauelement wird durch leiterelement 2 Minuten lang von einem Strom von 25 einen Ofen hindurchgeführt und auf Löttemperatur etwa 15 Ampere durchflossen, wobei sich die Halb- erhitzt. Die Leitung 26 wird an dem Kupferöhr 35 leitertemperatur etwa auf 1200C erhöhte. Bei der Ab- verlötet. Sämtliche während des Verlötens entstehenkühlung wurde 2 Minuten lang Kühlluft gegen das den Dämpfe und Gase können nach oben steigen und Bauelement geblasen. Die Anzahl der Erhitzungs- und durch die noch unverschlossene Verbindung zwischen Abkühlungsvorgänge wurde aufgezeichnet, und es 30 dem Deckel 16 und dem Bechergehäuse 11 entzeigte sich, daß die Indiumlotverbindungen 50 bis weichen.
100 °/0 mehr Heiz- und Abkühlungsperioden aus- Alsdann wird der Deckel 16 mit der Scheibe 34
hielten, ehe Schaden auftraten, als Lotverbindungen verschweißt, in dem ein Widerstands-Schweißkopf auf
anderer Zusammensetzung, wie beispielsweise Pb Sn den Ring 37 gepreßt wird. Die Schulter an dem oberen
(95:5), Pb Ag Sn (88,5:1,5:1,0) und Pb Ag Sn 35 Ende des Bechergehäuses 11 verhindert mit dem in sie
(97,5:1,5:1,0). Ferner wurde gefunden, daß das be- hineinragenden Teil des Deckels 16 ein Eindringen
nutzte Indiumlot den Metallüberzug an dem Halb- jeder Unreinigkeiten, die beim Schweißen umher-
leiterelement und an den blanken Kupferflächen ge- sprühen, so daß sie nicht durch diesen Verschluß ein-
nügend netzt, so daß die Halbleiterelemente ohne treten können. Gasförmige Feuchtigkeitsdämpfe kön-
Flußmittel verlötbar sind. 40 nen eventuell eindringen, werden jedoch durch den
Der spezifische Schmelzpunkt des Lotes hängt von absorbierenden Zentrierkörper 23 aufgenommen,
den genauen Mengenverhältnissen von Indium, Silber Die Wichtigkeit einer zweckmäßigen Ausbildung
und Blei ab. Für die bevorzugte Zusammensetzung, der Einzelteile wird erst recht deutlich, wenn man sich
welche 5% Indium, 2,5% Silber und 92,5 °/0 Blei die äußerst geringe Größe der Teile vorstellt, die für
enthält, liegt der Schmelzpunkt annähernd bei 280 bis 45 Halbleiterbauelemente typisch sind. Die Abmessungen
2850C. Diese Temperatur liegt oberhalb der spezifi- liegen zwischen etwa 25 mm und Zehntelmillimeter,
sehen maximalen Arbeitstemperatur für die meisten teilweise sogar noch darunter.
Siliziumdioden. Das besondere in F i g. 1 darge- Die folgende Tabelle gibt dafür einen Begriff:
stellte Bauelement hat eine maximale Betriebstempera-
tür von 1750C. Die thermischen Ausdehnungseigen- 50 Bauelement 10 Abmessungen
schäften des benutzten Indiumlotes passen völlig zu Länge der freien Anschlußleitung 17,3 mm
denen von Kupfer und Silizium. Eine Plattierung der Höhe 9,7 mm
Kupferflächen ist daher und wegen der besseren maximaler Durchmesser 15,5 mm
Netzungseigenschaften entbehrlich. Die Außenseite
des Bauelements kann aus optischen Gründen mit 55 Bechergenause u
Nickel überzogen werden. Höhe 7,9 mm
Bei der Montage wird zuerst ein Ring 32 aus Lot- Innendurchmesser 7,8 mm
material auf die Schulter 33 am oberen Ende des Außendurchmesser 12,4 mm
Bechergehäuses aufgesetzt, und eine Stahlscheibe 34 Stärke der Wand 13 2,2 mm
wird auf den Ring 32 gelegt. Die entstehende Anord- 60 .
nung wird zum Verlöten durch einen Ofen bei einer rionlring 15
Temperatur von etwa 8000C hindurchgeführt. Außendurchmesser 7,3 mm
Die Teilanordnung wird darauf gründlich gereinigt Innendurchmesser 3,8 mm
und mit der Öffnung 14 nach oben aufgestellt. Der Höhe 3,3 mm
Zentrierkörper 23 liegt auf dem Boden der Ausneh- »5 .
mung und hat ein Spiel von einigen hundertstel MMi- Halbleiterelement 17
metern, so daß die Öffnung 24 annähernd axial im Seitenlänge 3,1 · 3,1 mm
Becher 11 zentriert ist; eine Befestigung ist nicht er- Dicke 0,19 mm
Die Funktion des Zentrierens des Zentrierkörpers 23 hat zwar mit der Getterwirkung keinen unmittelbaren Zusammenhang, jedoch lassen sich beide Funktionen vorteilhaft in einem einzelnen Teil vereinigen. Die Zentrierung kann in gleicher Weise durch ein hohles Teil erfolgen, das nicht aus einem molekularen Siebmaterial besteht, jedoch soll das Material elektrisch isolierend oder nur so schwach sein, daß ein Kurzschluß des Halbleiterübergangs vermieden wird.
IO

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Halbleiteranordnung mit einem becherförmigen, strom- und wärmeleitenden metallischen Gehäuseteil, mit einem am Boden der Becherform zentrisch angeordneten Halbleiterkörper und mit einem die Becherform an ihrem offenen Ende dicht abschließenden Deckel, der aus einem Metallring und einem darin eingesetzten, eine strom- und wärmeleitende Anschlußleitung umgebenden elektrisch isolierenden Ring besteht, ao dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (37) im Querschnitt derart U-förmig mit ungleichen Schenkeln ausgebildet ist, daß der innere, längere Schenkel (38) in die Ausnehmung (14) der Becherform in geringem Abstand von ihrer Innenwand hineinreicht und daß der äußere, kürzere Schenkel zu einem an dem offenen Ende der Becherform angebrachten Schweißring (34) reicht und mit diesem verschweißt ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Boden (13) des Gehäuses ein aus Gettermaterial mit hohem spezifischem Widerstand bestehender Zentrierkörper (23) für den Halbleiterkörper aufsitzt.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Deckel geführte Anschlußleitung (26) an ihrem dem Halbleiterkörper gegenüberliegenden Ende ein S-förmiges Band (28) trägt.
4. Verfahren zum Zusammenbau einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst der Zentrierkörper (23) in die Ausnehmung (14) des Gehäuses eingebracht, danach der Halbleiterkörper (17) zusammen mit Lotkörpern (21, 22) in den Zentrierkörper eingesetzt, dann der mit der Anschlußleitung (26) versehene Deckel auf den Schweißring (34) aufgesetzt und abschließend nach dem Verlöten des Halbleiterkörpers mit dem Boden (13) des Gehäuses und mit der Zuleitung (26) der Deckel mit dem Schweißring verschweißt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 050 450, 1 085 263; österreichische Patentschrift Nr. 203 550;
Zeitschrift Electronic Industries, Bd. 20 (1961), S. 142.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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