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Halbleitereinrichtung und Verfahren zu deren Herstellung
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durch Anwendung automatischer oder halbautomatischer Methoden des Zusammenbaues herabzusetzen.
Ferner gibt die Erfindung ein Herstellungsverfahren an, durch welches das Anbringen von Kontakten niedrigen Widerstandes am Halbleiterkörper und der Zusammenbau des Halbleiterkörpers mit dem Gehäuse bei einer Temperatur bewirkt werden können, die hinreichend niedrig ist, um zu sichern, dass die PN-übergänge im Halbleiterkörper nicht schädlich beeinflusst werden.
Die Erfindung geht von jener bekannten
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welcher ein metallischer Basisteil mit einem zentralen Ansatz und ein Deckelteil mit einem zentralen Vorsprung vorgesehen ist, wobei zwischen dem Basisansatz und dem Deckelvor- sprung ein Halbleiterkörper mit mindestens einem PN-übergang gehaltert ist und zwischen dem Basisteil und dem Deckelteil ein Isolierglied liegt.
Die wesentlichen Merkmale der der erfindungsgemässen Ausbildung einer sol- chen Halbleitereinrichtung bestehen darin, dass der Deckelteil eine nachgiebige Membrane auf-
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findet, und dass dieser Vorsprung nach Montage des'Deckelteiles an dem zwischen diesem und dem Basisteil angeordneten Isolierglied am Halbleiterkörper mit einem so hohen Druck anliegt, dass dieser Druck infolge überschreitens des elastischen Deformationsgebietes des Deckels praktisch unabhängig vom Deformationsgrad des Deckels ist.
Auf Grund dieser Merkmale lässt sich eine erfindungsgemässe Halbleitereinrichtung, wie später noch genauer erläutert wird, in ein facher Weise, insbesondere automatisch oder halbautomatisch zusammenbauen, ohne dass dabei trotz erheblicher Herstellungstoleranzen der Einzelteile der auf den Halbleiterkörper ausge- übte Kontaktdruck praktisch störenden Schwankungen unterliegt.
Die Erfindung und weitere Ziele und Merkmale derselben sollen nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an einem Ausfüh.
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rungsbeispiel genauer erläutert werden. Fig. 1 stellt auseinandergezogen die einzelnen Teile einer Halbleitereinrichtung gemäss der Erfindung dar. Fig. 2 ist ein Querschnitt durch eine zusammengebaute Einrichtung nach Fig. l, die an einer mit einer gedruckten Schaltung versehenen Platte montiert ist. Fig. 3A stellt schematisch die mechanische Einspannung des Deckelteiles beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 dar und Fig. 3B zeigt im Dia,- gramm die Beziehung zwischen Belastung und Verformung des Deckels.
In Fig. 1 ist ein Halbleiterkörper 11 dargestellt, der die Form einer Scheibe hat und einen oder mehrere PN-übergänge aufweist. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel kann die Scheibe 11 ein Einkristall aus Silizium sein und eine Seitenfläche von 0, 51 mm sowie eine Dicke von 0, 1 mm haben. Als unteres Anschlussglied dient ein metallischer Basisteil 12, der beispielsweise aus Nickel besteht. Der Basisteil hat einen zentralen Ansatz 26 mit einem vorspringenden Rand 18 und einem zentralen, abgerundeten Vorsprung
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An dem Basisteil ist mit Hilfe einer Lötringscheibe 14 eine isolierende Ringscheibe 13 angelötet. Der isolierende Teil 13 umschliesst den Ansatz 26 und bildet zusammen mit dem Basisteil 12 einen Hohlraum ; er besteht vorzugsweise aus keramischem Material, wie Steatit oder Aluminiumoxyd. (AI203)' Im allgemeinen ist es wichtig, dass dieser isolierende, keramische Teil 13 dicht und frei von Hohlräumen ist, damit er einen hermetischen Abschluss verbürgt. Die Druckfestigkeit des keramischen Teiles muss so gross sein, dass dieser Teil dem Druck standhalten kann, der zur Herstellung der Verbindungen erforderlich ist, durch die das Gehäuse verschlossen wird.
Die aus Lot bestehenden Ringscheiben 14 und 15 sind zwischen dem keramischen Teil 13 und den metallischen Anschlussstücken 12 und 16 angeordnet. Zweckmässig werden die Teile 14 und 15 aus sogenannten aktiven Metallen, beispielsweise aus Titan in Kombination mit einem Lot, wie Silber-Kupfer-Eutek- tikum, Silber, Kupfer oder Nickel, hergestellt.
Die obere Metallscheibe. 16 bildet. eine freie Fläche, mit der der Deckelteil 17 verbunden werden kann. Sowohl die Scheibe 16 als auch der Deckel 17 können aus Nickel oder ähn- lichem Material bestehen. Der Deckel 17 hat, wie dargestellt, einen abgerundeten Vorsprung 20 und einen Umfangsflansch 21. Wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, stützt sich der Vorsprung 20 gegen die Oberseite der Halbleiterscheibe 11 ab und er vermittelt dadurch einen ausreichenden Druck, um einen Kontakt niedrigen Widerstandes zwischen der Halbleiterscheibe und dem Basisteil 12 bzw. mit dem Deckel 17 sicherzustellen.
Der Vorteil dieser Gehäuseführung wird aus der Beschreibung des beim Zusammenbau der Einheit angewendeten Verfahrens erkennbar.
Der Basisteil 12 kann durch einen Schmiedeund Fräsvorgang hergestellt werden, um so den erhabenen Ansatz 26 mit dem vorspringenden Rand 18 und dem zentralen Vorsprung 19 auszubilden.
Sodann wird ein Halbfabrikat hergestellt, das aus dem Basisteil 12, der keramischen Ringscheibe 13 und der metallischen Ring- scheibe 14 besteht. Diese werden ein- zeln sowohl chemisch als auch mechanisch gereinigt und hernach in der dargestellten gegenseitigen Lage zusammengebaut. Die Verbindung zwischen Metall und Keramik wird durch kurzzeitiges Erhitzen dieses Zusammenbaues auf eine Spitzentemperatur von etwa 9800 C und durch nachfolgende rasche Abkühlung in einer inerten Atmosphäre, etwa in Argon, bewirkt.
Die Fläche innerhalb des vorspringenden Randes 18 kann mit einer dünnen Goldschicht überzogen werden, um durch einen nachfolgenden Plattierungs- oder Verbindungsvorgang die Kontaktgabe zu erleichtern. Die Halbleiterscheibe 11, die mit den gewünschten inne- ren PN-übergängen hergestellt und mechanisch und chemisch nach bekannten Verfahren gereinigt worden ist, wird in den Ansatz 26 eingelegt. Das kann in automatischen oder halbautomatischen Apparaten erfolgen. Beim vorliegenden speziellen Beispiel, bei dem die Scheibe 11 eine Seitenlänge von 0, 51 mm aufweist, kann der Durchmesser des erhabenen Randes 18 etwa 0, 81 mm betragen.
Die Scheibe, deren Diagonale eine Länge von 0, 71 mm hat, wird sich daher von selbst innerhalb des erhabenen Randes 18 auf dem Vorsprung 19 ungefähr lagenrichtig einstellen. Sie kann dabei zwar in geneigter Lage zur Ruhe kommen, doch wird ihre Lage beim nachfolgenden Verschlussvorgang durch die Anbringung des Dekkels automatisch berichtigt.
Nach der Einführung der Halbleiterscheibe
11 in den Ansatz 26 des Basisteiles 12 wird der Deckel 17 auf die Einheit aufgesetzt. Vor dem endgültigen Zusammenbau kann an der Innenfläche des Deckelteiles durch einen Plattierungs- oder Bindungsvorgang ähnlich wie im
Innenraum des Ansatzes 26 eine dünne Gold- schicht aufgebracht werden. Die Fertigstellung der Einrichtung muss bei einer Temperatur erfolgen, die nicht über 3300 C liegt, um zu gewährleisten, dass eine Diffusion von Gold in den Halbleiter vermieden wird, weil sonst der innere Aufbau und damit die Arbeitsweise der
Einrichtung schädlich beeinflusst werden könn- te. Es ist ferner erwünscht, an den gegenüber- liegenden Stirnflächen des Halbleiterkörpers gute Kontakte niedrigen Widerstandes herzu- stellen.
Diese Forderungen werden erfüllt, in-
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dem der Deckelteil17 mit der Metallscheibe 16 unter Anwendung eines Druckes von etwa 2100 kgjcm2 bei einer Temperatur zwischen 3100 und 325Q C, die kurzzeitig, etwa während 30 sec bis 5 min, wirksam ist, verbunden wird.
Unter diesen Arbeitsbedingungen und bei Anwendung der beschriebenen Materialien wird von dem Vorsprung 20 des Deckels auf den Halbleiterkörper ein Druck von etwa 700 ausgeübt. Dieser Druck und die mässige Erhitzung führen zu einer sogenannten Thermokompressions-Bindung des halbleitenden Körpers sowohl mit dem Vorsprung 19 des Basisteiles 12 als auch mit dem Vorsprung 20 des Deckelteiles 17.
Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel wird also der endgültige Verschluss durch eine Thermokompressions-Bindung erzielt. Es sind aber für die Verbindung der betreffenden Teile auch andere Verfahren anwendbar, wie beispielsweise eine elektrische Widerstandsschwei- ssung oder eine Kaltschweissung. Ferner ist es bei Anwendung bestimmter dieser Verfahren auch möglich, einen Zusammenbau zu schaffen, bei dem die Anschlussglieder nicht tatsächlich mit der Scheibe verbunden sind, vielmehr unter dem Druck der Deckel-bzw. Basisteile ohmi- sche Kontakte niedrigen Widerstandes gebildet werden.
Bei der Auswahl des Materials für den Dekkelteil 17 und bei der Wahl der Gestalt dieses Teiles ist es wichtig, eine plastische und nicht eine elastische Deformation dieses Teiles 17 zu gewährleisten. Um nämlich im gesamten Toleranzbereich der Einzelteile der Einrichtung einen im wesentlichen konstanten Kontaktdruck zu sichern, wird ein Material verwendet, bei dem die Elastizitätsgrenze überschritten wird, wenn der Deckel 17 deformiert und mit dem Ringscheibenteil 16 verbunden wird.
Diese Verhältnisse lassen sich an Hand der Fig. 3A und 3B erläutern.
Fig. 3A stellt die am Deckel wirksame Kraft und die Verformung des Deckels dar. Fig. 3'B zeigt die Beziehung zwischen der vom Deckel ausgeübten Druckkraft P und der Verformung u im plastischen und im elastischen Deformationsbereich. Die unterbrochene Linie A gibt das Verhalten des Materials im elastischen Deformationsbereich an. Man erkennt, dass bei zunehmender Verformung, wie sie bei Toleranzabweichungen nach oben auftreten können, die Kraft P, welche auf die Scheibe 11 wirkt, direkt proportional zunimmt. Die voll ausgezogene Linie B stellt hingegen das Verhalten von Nickel und ähnlichen duktilen Materialien dar. Wie aus dem horizontal verlaufenden Teil der Deformationskennlinie erkennbar ist, bleibt hiebei für einen grossen Toleranzbereich der Einzelteile die Kraft P im wesentlichen konstant.
Insbesondere ist gut erkennbar, dass die gestapelte Anordnung der Einzelteile der gekapselten Einheit, die im Hinblick auf den automatischen Zusammenbau besonders gunstig ist, infolge von tolerierten Dimensionsabweichungen der Einzelteile zu beträchtlichen Schwankungen der Gesamtabmessungen führen kann. Solche Dimensionsabweichungen können beim Basisteil, beim Isolierteil und beim Dekkel sowie auch bei den Lotverbindungen auftreten. Es können sich daher zwischen den verschiedenen Einheiten ziemlich erhebliche Schwankungen der Gesamtabmessung zwischen der Oberfläche der Metallscheibe 16 und der Oberfläche der Halbleiterscheibe 11 ergeben.
Schliesslich können auch die verschiedenen Deckel hinsichtlich ihrer Dicke Schwankungen aufweisen. Trotz aller dieser Abmessungsto. leranzen im Gesamtaufbau wird der auf die Halbleiterscheibe nach dem endgültigen Bin. dungsvorgang ausgeübte Druck bei allen Ein. heiten infolge der erläuterten Zusammensetzung und der besonderen Gestalt des Dekkelteiles 17 praktisch konstant gehalten.
Als typisches Beispiel sei angegeben, dass bei einer Einheit ! nach Fig. 2 der Deckel einen Durchmesser von 5, 1 mm und der Basisteil einen Durchmesser von 3, 6mm haben kann.
Die Gesamthöhe der Einheit kann etwa 2mm betragen. Unter bestimmten Bedingungen können diese Abmessungen durch Anwendung der erfindungsgemässen Bauform sogar noch vermindert werden. Aus den beispielsweise angegebenen Werten ist erkennbar, dass automatische oder halbautomatische Zusammenbauverfahren, für welche sich die beschriebene Bauform besonders eignet, für die Herstellung solcher Einrichtungen mit geringen Kosten von ausschlaggebender Bedeutung sind.
Die beschriebene Einrichtung, die antisymmetrischen Aufbau hat, eignet sich gut zur Anwendung in Verbindung mit gedruckten Schaltungen. Die in Fig. 2 dargestellte Diode ist beispielsweise in ein Loch einer Platte 23 mit einer gedruckten Schaltung eingeschoben.
Die Anschlüsse der Diode können in einfacher Weise durch gedruckte Verdrahtungsstreifen 24 und 25 hergestellt werden.
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