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Verfahren sowie Vorrichtung zur Herstellung von
Halbleiter-Anordnungen mit pn-Übergang-insbesondere von Gleichrichter-Anordnungen mit Silizium-Einkristall- Tabletten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Anordnungen mit pn-Übergang - insbesondere von Gleichrichter-Anordnungen mit einer oder mehreren Gleichrichtertabletten aus SiliziumEinkristall-, bei welchem die Halbleiterteile zwischen den Schenkeln von Drahtbügeln festgeklemmt, die Metallbeläge mit den Schenkeln verlötet werden und danach die Bügelschleife aufgetrennt wird sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Herstellung gebrauchsfertiger Halbleiter-Anordnungen mit pn-Übergang erfordert zahlreiche unterschiedliche Arbeits- und Behandlungs-Vorgänge und ist daher sehr teuer ; für Stromstärken bis zu etwa
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hältnismässig rationell hergestellt werden, doch bereitet die Durchführung der anschliessenden Arbeitsprozesse noch erhebliche Schwierigkeiten : insbesondere die Anbringung der Anschlussdrähte mit den zugehörigen Löt-, Wasch-, Ätz- und Trocknungs-Vorgängen sowie die gegen atmosphärische Einflüsse geschützte Unterbringung der Halbleiterteile in einem Gehäuse.
BeiMassenfertigung kleiner Kondensatoren ist es auch schon bekannt, Röhrchen aus isolierendem oder halbleitendem Material, welche an ihrer zylindrischen Innen- und Aussenfläche einen Metallbelag aufweisen, in der Weise mit Anschlussdrähten zu versehen, dass die Röhrchen auf einem Schenkel eines in Form einer Haarnadel gebogenen Drahtes aufgeschoben werden, so dass sie in einiger Entfernung von der Biegung zwischen den Schenkeln der Haarnadeln festgeklemmt werden, wobei die Schenkel je einen Metallbelag berühren ; durch Eintauchen in ein flussiges Lot werden die Zuleitungsdrähte dann an die Metallbeläge angelötet, wonach schliesslich die vorhandene Verbindung zwischen den beiden Zuleitungen entfernt wird.
Dieses Verfahren lässt sich aber nicht ohne weiteres auf Halbleitertabletten anwenden, die eine Dicke von etwa 0,3 mm und eine Fläche von etwa 0,5 bis 2 mir ? haben.
Nach der Erfindung wird nun das eingangs beschriebene Verfahren zur Herstellung von HalbleiterAnordnungen mit pn-Übergang derart vorteilhaft ausgestaltet, dass die etwa V-förmigen, mit zangenartig gegeneinander gerichteten Enden hergestellten Bügel bis zur Berührung dieser Enden zusammengebogen und mit dem geschlossenen Ende in Spalte einer Aufnahmevorrichtung eingesteckt werden, aus welcher die federnd gegeneinander liegenden Bügelenden vorstehen, zwischen denen je eine Halbleitertablette festgeklemmt und je ein Metallbelag derselben mit einem Bügelschenkel durch eine Tauchlötung verbunden wird, wonach sämtliche, bis zur Kapselung der Halbleiter-Anordnungen notwendigen Arbeitsgänge - vorzugsweise ebenfalls im Tauchverfahren-mit der gleichen Aufnahmevorrichtung durchgeführt werden.
Bei diesem Verfahren können die Bügelschenkel vor Einführen in die Aufnahmevorrichtung leicht nach aussen gebogen werden, wodurch in zusammengebogenem Zustand ihr grösster Abstand etwas grösser ist als die Höhe der Spalte der Aufnahmevorrichtung und sich in dieser die Bügel somit selbsthaftend festklemmen. Weiters werden zweckmässig beide Bügelschenkel an den Enden etwa bis zur halben BUgelhöhe nach innen abgebogen bzw. abgekröpft, wobei wenigstens ein Bügelende mit einer Fläche zur annähernd senkrechten mittigen Auflage des andern Bügelendes versehen wird.
Hiebei kann-vorzugsweise zwischen dem abgeflachten Bügelende und der Halbleitertablette - eine die letztere seitlich überragende Metall-
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-Fahnenbzw. mit einem Weichlot-Überzug versehen werden. Für die Drahtbügel wird versilberter Kupferdraht, für die Metall-Ronden oder -Fahnen mit Bleilot Uberzogenes Vaconmetall benutzt und die-vorzugsweise im Diffusionsverfahren dotierten - Halbleitertabletten werden mit, gegebenenfalls vergoldeten oder verzinnten Nickelelektroden versehen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Aufnahmevorrichtung nach Durchführung des Lötprozesses auch als Halterung der Bügel bei den nachfolgenden Wasch-, Ätzund Trocknungs-Vorgängen - vorzugsweise gleichfalls im Tauchverfahren - benutzt.
Ferner soll die Aufnahmevorrichtung auch zur gemeinsamen Durchführung aller, an das Löten und nachträgliche Behandeln der einzelnen Halbleiter-Anordnungen anschliessenden Vorgänge benutzt werden, welche zum Schutz der Tabletten gegen atmosphärische Einflüsse sowie zur Kapselung dienen : So können die mit Anschlussdrähten versehenen Halbleitertabletten im Tauchverfahren mit einem Kunstharzüberzug versehen werden, der anschliessend eingebrannt wird ; vorzugsweise erhält dabei die Umgebung der mit Kunstharz überzogenen Halbleitertabletten einen Überzug aus Silikonkautschuk, der gleichfalls eingebrannt wird, wonach dann die Halbleiter-Anordnungen noch mit einer gemeinsamen Kapselung versehen werden können.
Das bei diesem Herstellungsverfahren verwendete Lot besteht zweckmässig aus einer Blei-Silber- bzw. einersslei-Süber-Kupfer-Legierung eutektischer Zusammensetzung oder aus einer Blei-Indium-Legierung.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens kann aus einer-vorzugsweise stabförmigen-Aufnahmevorrichtung für die Bügel bestehen. welche in einer Ebene neben oder bzw. und übereinander zahlreiche, z.B. hundert, - zweckmässig rechteckige - Spalte hat; an dieser Aufnahmevorrichtung sind vorzugsweise vorne Führungsbolzen und hinten Aufhängeösen angebracht.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren können insbesondere auch beispielsweise gleichzeitig zwei, vier oder sechs Gleichrichtertabletten mit ihren Zuleitungen versehen sowie miteinander in Mittelpunktoder in Brücken-Schaltung verschaltet werden ; hiezu sind in der Aufnahmevorrichtung für die Drahtbügel die Spalte lediglich derart angeordnet, dass darin jeweils zwei oder auch drei Bügelschenkel sich berührend nebeneinanderliegen und dann die Kontaktierung der Halbleitertabletten sowie die Verschaltung durch Tauchlöten im gleichen Arbeitsprozess vorgenommen wird.
In der Zeichnung sind zur Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens verschiedene Ausführungsformen von Halbleitertabletten sowie den zu ihrer Herstellung verwendeten Drahtbügeln und Vorrichtungen dargestellt. Es zeigen : Fig. 1 eine im Ätzverfahren gewonnene Gleichrichtertablette aus SiliziumEinkristall in Seitenansicht, vergrössert ; Fig. 2 eine als Zwischenlage dienende Metall-Ronde ; Fig. 3 eine Metall-Ronde mit aufgesetzter Halbleitertablette gemäss Fig. l-stark vergrössert ; Fig. 4 eine Metall-Ronde mit einer aufgesetzten, durch Aussägen aus einer grösseren Tablette gewonnenen Halbleitertablette ; Fig. 5 einen Drahtbügel zur leitenden Verbindung mit einer Halbleitertablette in Ausgangsform in etwa natürlicher Grösse ;
Fig. 6 den in Fig. 5 dargestellten Drahtbügel in zusammengedrücktem Zustand bei sich berührenden Enden ; Fig. ? einen zur Aufnahme der Drahtbügel dienenden Stab mit zwei übereinanderliegendenDrahtbügeln im Schnitt ; Fig. 8 in vergrössertem Massstab das vordere Ende eines mit einer Metall-Ronde und der darauf sitzenden Halbleitertablette versehenen Drahtbügels nach dem justieren ; Fig. 9 eine andere Ausführungsform des Drahtbügels mit zwei flachgequetschten bis zur Bügelmitte abgekröpften Enden ; Fig. 10 einen Drahtbügel aus Flachdraht ; Fig. 11 und 12 den zur Aufnahme der Drahtbügel dienenden Stab gemäss Fig. 7 in Ansicht sowie in Draufsicht ; Fig. 13 und 14 einen andern Stab zur Aufnahme von Bechern zur Kapselung der Gleichrichter in Seitenansicht und in Draufsicht ;
Fig. 15 den fertig verlöteten und in der Umgebung der Halbleitertablette mit einem Lacküberzug versehenen Gleichrichter ; Fig. 16 eine Doppelanordnung von zwei Gleichrichtern gemäss Fig. 15 in Mittelpunktschaltung; Fig. 17 eine Anordnung von vier gleichzeitig verlöteten und verschalteten Gleichrichtern in Brückenschaltung und Fig. 18 das Schaltbild zu der in Fig. 17 dargestellten Gleichrichter-Anordnung.
Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geht man zweckmässig von Halbleitertabletten aus, die im Diffusionsverfahren den pn-Übergang erhalten haben, und die durch Unterteilen aus einer grösseren Tablette hergestellt wurden. Fig. 1 zeigt eine solche Tablette in vergrössertem Massstab in einer Seitenansicht. Die Tablette besteht beispielsweise aus Silizium-Einkristall mit einer schwach p-oder ndotierten Mittelschicht 1 ; mit 2 und 3 sind die durch Diffusion erzeugten p-bzw. n-dotierten Schichten bezeichnet ; mit 4 und 5 sind eine obere und untere Nickelschicht und mit 6 und 7 eine oberer und ein unterer Überzug aus Gold, einem Weichlot, z. B. einem Blei-Silber-Kupfer-Lot., bezeichnet. Durch das Herausätzen aus einer grösseren Tablette hat diese eine etwa kegelstumpfförmige Form erhalten.
Die in Fig. 2 in Seitenansicht dargestellte Ronde besteht zweckmässig entweder aus einem Material
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geringer Wärmedehnung, wie z. B. Molybdän oder einer mit"Vacon"oder"Cova"bezeichneten NickelKobald-Eisen-Legierung oder aber aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit, wie z, B. Kupfer ; diese Ronden werden zweckmässig aus einem Blech von geeigneter Stärke, z. B. 0, 5 mm, ausgestanzt, wobei das Blech auf beiden Seiten mit einem gut lötfähigen Überzug - vorzugsweise aus Blei oder Blei-Legierung-versehen wird. Bei Verwendung grösserer Halbleitertabletten empfiehlt es sich, die Ronde aus einem Material geringer Wärmedehnung herzustellen, um Spannungen in der Halbleitertablette zu vermeiden.
Bei Verwendung relativ kleiner Halbleitertabletten ist es günstiger, die Metall-Ronden aus einem
Material guter Wärmeleitfähigkeit herzustellen, um die Wärmeableitung von der Halbleitertablette an die Umgebung zu verbessern.
Bei Verwendung einer Metall-Ronde nach Fig. 2 empfiehlt es sich, die Halbleitertabletten vorher auf die Ronde aufzulegen, wie dies etwa in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Die Metall-Ronden werden so gross gewählt, dass sie seitlich über die Halbleitertablette etwas vorstehen. Bei Verwendung einer ausgeätzten Halbleitertablette 10 in Fig. 3 ist es zur Orientierung ihrer Polung zu den Zuleitungsdrähten zweck- mässig, die Tabletten immer mit der grösseren Fläche auf die Ronde 8 aufzulegen. Bei einer durch Aussägen erhaltenen Tablette 11 gemäss Fig. 4 ist eine solche visuelle Orientierung nach der Grösse der Endflächen nicht möglich ; hier muss die Polung der Tablette durch eine Messung festgestellt werden, worauf die Tabletten immer mit der gleichen Polung auf die Ronde aufgelegt werden.
Die aus Ronde und Tablette bestehende Kombination wird dann mit Hilfe einer Pinzette in den Drahtbügel eingeführt und justiert.
Fig. 5 zeigt den zur Bildung der Zuleitungen dienenden Drahtbügel etwa in natürlicher Grösse ; er be- steht aus einem etwa kreisförmig gebogenen Teil 12, einem unteren Schenkel 13 und einem oberen Schenkel 14. Die beiden Enden der Schenkel 13 und 14 sind etwa um die halbe Klammerhohe ab- gekröpft bzw. abgewinkelt, wobei die untere Abkröpfung an ihrem Ende mit einer kleinen Fläche 15 versehen ist, die zweckmässig durch Flachquetschen erhalten wird. Der obere BUgelschenkel 14 ist an seinem Ende mit einem etwa rechtwinkelig abgebogenen Teil 16 versehen, der etwa auf die Mitte der Fläche 15 aufliegt, wenn, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist, die Klammer zusammengedrückt wird.
Den Fig. 5 und 6 ist ferner zu entnehmen, dass die Bügelschenkel 13 und 14 eine leichte Krümmung nach aussen aufweisen, was ihre Halterung in der Aufnahmevorrichtung sehr erleichtert. Als Material für die Bügel eignet sich besonders ein nicht zu hart gezogener Kupferdraht, der schwach versilbert ist. Die Drahtbügel können aber auch aus einem andern Material, z. B. aus Vacon, bestehen.
Fig. 7 zeigt im Querschnitt eine zur Aufnahme der Drahtbügel geeignete Vorrichtung mit zwei übereinander inSpalte derselben eingelegten Klammern. Die Vorrichtung kann z. B. aus einem Stab aus Leicht- metall oder einer Leichtmetall-Legierung bestehen ; sie besteht im wesentlichen aus einem Stab 17. in den oben und unten Schlitze 18 eingesägt oder eingefräst sind ; diese Schlitze sind an der Ober-, Unter- und Rückseite durch Platten 19, 20 von gleichem Material abgedeckt, so dass nur an der Vorderseite eine Einführungsöffnung 21 frei bleibt.
Die Spalte 18 haben eine rechteckige Form ; ihre Höhe ist zweckmässig etwas geringer als der Abstand der Bügelschenkel 13, 14, so dass beim Einführen der BUgel in die Spalte 18 die beiden Enden 15. 16 mit einer gewissen Kraft federnd gegeneinander liegen ; diese Kraft soll zweckmässig nicht grösser als 30 und nicht kleiner als 10 g sein. Nach dem Einklemmen der Halbleitertablette oder der aus einer Ronde und einer Halbleitertablette bestehenden Kombination zwischen den Kontakten 15, 16 werden sie in ihrer Lage justiert. Eine weitere Justierarbeit ist dann nicht mehr erforderlich.
Fig. 8 zeigt die zwischen den Bügelschenkeln 13, 14 aus Ronde 18 und Tablette 11 bestehende Anordnung stark vergrössert nach dem Justieren.
Fig. 9 zeigt eine andere Ausführungsform für den Drahtbügel, wobei die beiden Bügelschenkel an ihrem Ende mit je einer flachgequetschten und abgekröpften Fläche 15 versehen sind. Der in Fig. 10 dargestellte Drahtbügel ist aus Flachdraht hergestellt. Beide Bügelschenkel 22 sind zum Festklemmen der Halbleitertablette bzw. von Halbleitertablette und Ronde mit zur Bügelmitte abgekröpften Enden versehen. Selbstverständlich ist es auch möglich, an Stelle einer einzigen Ronde 8, je eine Ronde zu beiden Seiten der Halbleitertablette vorzusehen und in der vorgeschlagenen Weise einzuklemmen und mit zu verlöten.
Fig. 11 und 12 zeigen den in Fig. 7 dargestellten Stab in einer Ansicht von vorne bzw. von oben. Die Vorrichtung weist an der Rückseite zwei mit Bohrungen 24 versehene Laschen 25 auf, welche zum Aufhängen derselben dienen. Zur Führung beim Tauchlöten und den anschliessenden Wasch-, satz-fund Trocknungs-Vorgängen usw. ist sie ausserdem an der Vorderseite nahe ihren Enden mit Bolzen 26 versehen.
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Mit Hilfe der in den Fig. 7,11 und 12 dargestellten Vorrichtung können die Halbleiter-Anordnungen bis zur Aufnahme in einen Becher zur Kapselung gehaltert sein. Die Vorrichtung kann aber auch in Verbindung mit der in den Fig. 13 und 14 dargestellten Vorrichtung dazu dienen, die Halbleiter-Anordnungen zu kapseln. Die beiden Figuren zeigen einen z. B. ebenfalls aus Leichtmetall oder einer LeichtmetallLegierung bestehenden Stab 27, der an seiner Oberseite Aussparungen 28 zur Aufnahme von Bechern 30, z. B. aus Kunststoff, aufweist. Durch seitliche, über die Aussparungen etwas vorstehende Klemmfedern 29 wird ein Herausfallen der Becher 30 beim Umdrehen der Vorrichtung verhindert.
Der Stab 27 weist auf der Oberseite an beiden Enden aufgeschraubte Abstandskörper 31 und Führungsbohrungen 32 auf, so dass beim Aufsetzen der mit den Klemmbügeln versehenen Vorrichtung die Halbleiter-Anordnungen alle innerhalb der Becher 30 liegen.
Ein mit der Vorrichtung nach den Fig. 7,11 und 12 fertig gestelltes Einbauelement zeigt Fig. 15.
Mit 34 ist die mit Silikonlack und einem Überzug aus Silikonkautschuk versehene Kontaktstelle bezeichnet.
Wie bereits erwähnt, kann mit dem Tauchlöten auch die Verschaltung von zwei oder mehreren Halb-
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zusammengelötete Anordnungen zur Bildung einer Mittelpunktschaltung.
Bei dem Beispiel nach Fig. 17 sind vier Drahtbügel zu einer Brückenschaltung zusammengelötet. Um für jede Zuleitung nur je einen Draht zu erhalten, werden von zwei der vier Drahtbügel die Zuleitungen gekürzt. Fig. 18 zeigt das Schaltbild der Anordnung gemäss Fig. 17.
Zu dem Herstellungsverfahren wäre im einzelnen noch folgendes zu erwähnen : Die vorgeätzten und gereinigten Halbleitertabletten werden zweckmässig auf eine elektrisch leitende Unterlage aufgebracht und mit Hilfe einer Saugpinzette in die Drahtbügel eingelegt bzw. auf die Metall-Ronden aufgesetzt : hiebei können auch gleichzeitig fehlerhafte Teile ausgemerzt und das Sperrverhalten der Gleichrichter geprüft werden. Bei ausgesägten, rechteckigen Tabletten wird gleichzeitig die Polung derselben festgestellt, so dass diese immer mit der gleichen Orientierung in die Drahtbügel eingelegt werden können.
Das Verlöten der Drahtbügel mit den Metallkontakten der Halbleitertabletten kann in an sich bekannter Weise unter Verwendung eines Flussmittels und das Reinigen der gelöteten Teile durch Besprühen
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Das Trocknen der Silikonlackschicht bzw. der noch zusätzlich aufgebrachten Schicht aus Silikonkautschuk kann in einem Trockenschrank oder auch in einem Wanderofen erfolgen.
Die in der zweiten Vorrichtung eingesetzten Becher werden maschinell mit einem heissen Kunststoff, z. B. Araldit, gefüllt, worauf dann mit der ersten Vorrichtung die Drahtbügel in die Becher eingeführt werden. Nach dem Aushärten der Kunststoffmasse und dem Erkalten der Vorrichtung wird der die Drahtbügel bisher aufnehmende Stab von dem Unterteil abgezogen. Die Bügelenden können nunmehr entfernt werden, worauf die Zuleitungen zweckmässig im Tauchverfahren noch verzinnt werden. Anschliessend werden die fertigen Gleichrichter nachgemessen. Die in dem Stab 27 vorgesehenen Bohrungen 33 dienen zum Ausstossen der fertigen Gleichrichter-Anordnungen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Anordnungen mit pn-Übergang-insbesondere von Gleichrichter-Anordnungen mit einer oder mehreren Gleichrichtertabletten aus Silizium-Einkristall-, bei wel- chem die Halbleiterteile zwischen den Schenkeln von Drahtbügeln festgeklemmt, die Metallbeläge mit den Schenkeln verlötet werden und danach die Bügelschleife aufgetrennt wird, dadurch gekenn- zeichnet, dass die etwa V-förmigen, mit zangenartig gegeneinander gerichteten Enden hergestellten
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Aufnahmevorrichtung eingesteckt werden, aus welcher die federnd gegeneinander liegenden Bügelenden vorstehen,
zwischen denen je eine Halbleitertablette festgeklemmt und je ein Metallbelag derselben mit einem Bügelschenkel durch eine Tauchlötung verbunden wird, wonach sämtliche, bis zur Kapselung der Halbleiter-Anordnungen notwendigen Arbeitsgänge-vorzugsweise ebenfalls im Tauchverfahren-mit der gleichen Aufnahmevorrichtung durchgeführt werden.