DE1150154B

DE1150154B - Vorrichtung zum Einschliessen einer Halbleitervorrichtung in einem Glaskolben

Info

Publication number: DE1150154B
Application number: DET17020A
Authority: DE
Inventors: William Herbert Ross
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1958-07-31
Filing date: 1959-07-29
Publication date: 1963-06-12
Also published as: FR1245591A; NL241700A; NL113343C; GB874816A; CH377002A; US3077754A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

T17020 Vfflc/21g

ANMELDETAG: 29. JULI 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT.· 12. JUNI 1963

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einschließen einer Halbleitervorrichtung in einem Glaskolben mit einem gasdicht verschließbaren Gehäuse, das die zu verbindenden Teile der Halbleitervorrichtung während des Einschließens aufnimmt, mit Einrichtungen zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Atmosphäre im Inneren des Gehäuses und mit Einrichtungen, mit denen die zu verbindenden Teile zur Durchführung des Einschlusses erhitzt werden.

Die zu verbindenden Teile der Halbleitervorrichtung sind üblicherweise ein Glaskolben und eine Glasperle, die auf einem Zuleitungsdraht der Halbleitervorrichtung sitzt. Das Verschließen erfolgt nach bekannten Verfahren dadurch, daß die Glasperle in das offene Ende des Glaskolbens eingeführt und mit dessen Rand verschmolzen wird. An Stelle der Glasperle kann auch ein Glasflansch Verwendung finden.

Das Erhitzen erfolgt üblicherweise auf indirektem Wege durch Hochfrequenzinduktion. Damit die Wärme auf die zu verschmelzenden Stellen konzentriert und möglichst von den Halbleiterteilen ferngehalten wird, ist es bekannt, einen Wärmekonzentrationsring anzubringen, der die Einschließstelle umgibt. Dieser Wärmekonzentrationsring wird auf induktivem Weg erhitzt und überträgt seine Wärme durch Strahlung oder Wärmeleitung auf die Ränder des Glaskolbens und der Glasperle bzw. des Glasflansches.

Bei den bisher bekannten Vorrichtungen zum gasdichten Einschließen einer Halbleitervorrichtung in einen Glaskolben wurden die zu verbindenden Teile an Ort und Stelle in einem gasdichten Gehäuse zusammengefügt. Dann wurde das Gehäuse geschlossen und mit einem inerten Gas gefüllt, worauf schließlich die Erhitzung der zu verschmelzenden Teile vorgenommen wurde. Diese Vorgänge waren mühsam und zeitraubend; auch war die Einschließvorrichtung schlecht ausgenutzt, weil sie während des Zusammenfügens der Halbleitervorrichtung nicht betrieben werden konnte.

Ein weiteres Problem bestand in der Anbringung des Wärmekonzentrationsringes. Bei früheren Vorrichtungen lag der Wärmekonzentrationsring in der freien Atmosphäre. Er muß aus einem gut leitfähigen Material bestehen, das an dem erweichten Glas nicht haften darf. Ein hierfür besonders geeignetes Material ist Graphit. Infolge der erforderlichen hohen Arbeitstemperaturen oxydiert der Graphitring sehr rasch an der freien Atmosphäre, so daß seine Lebensdauer sehr kurz ist und einen häufigen Ersatz erforderlich macht.

Vorrichtung zum Einschließen einer
Halbleitervorrichtung in einem Glaskolben

Anmelder:

Texas Instruments Incorporated,
Dallas, Tex. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz

und Dr. rer. nat. G. Hauser, Patentanwälte,

München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Juli 1958 (Nr. 752 307)

William Herbert Ross, Dallas, Tex. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art, die ein schnelleres und leichteres Einschließen der Halbleitervorrichtungen unter besserer Aus^ nützung der Heizvorrichtungen ermöglicht, wobei zugleich eine lange Lebensdauer des Wärmekonzentrationsringes gewährleistet ist.

Nach der Erfindung wird dies erreicht durch wenigstens zwei Halter, von denen jeder die Teile einer Halbleitervorrichtung vor dem Einschließen in der richtigen Lage zusammenhält und einen in der Nähe der Verbindungsstelle liegenden Wärmekonzentrationsring trägt, einen Träger für die Halter, eine Vorrichtung, die den Träger in verschiedene Stellungen bewegt, in denen jeweils einer der Halter vor dem Gehäuse liegt, eine Einrichtung, die den vor dem Gehäuse liegenden Halter in das Gehäuse bewegt und dieses gasdicht verschließt, eine Vorrichtung zum Einführen eines inerten, unter Druck stehenden Gases in das Gehäuse, und durch eine vom Gehäuse getragene Heizvorrichtung, die so angeordnet ist, daß sie in der Nähe des Halters und des

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davon getragenen Wärmekonzentrationsringes liegt, wenn der Halter in das Gehäuse eingeführt ist.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung werden die Teile der Halbleitervorrichtung außerhalb der Heizeinrichtung jeweils in einem der Halter zusammengefügt. Dieser Halter ist leicht zugänglich, so daß das Zusammenfügen leichter und schneller als im Innern des gasdichten Gehäuses möglich ist. Da der Halter auch den Wärmekonzentrationsring trägt,

Joch SO befestigt ist. Von der einen Seite des Jochs 50 steht eine Rolle 52 ab, die zwischen zwei senkrechten Führungsschienen 54 und 56 läuft. Auf diese Weise ist die Kolbenstange 48 bei ihrer senkrechten 5 Bewegung dauernd geführt. Zur Steuerung der Schubvorrichtungen 22 und 46 kann ein (nicht gezeigtes) Pedal oder eine elektrische Anordnung verwendet werden.

In dem Schlitten 18 sind Schubstangen 58, die mit

kann die richtige Lage dieses Ringes in bezug auf die io der Unterseite der Halter 20 und 20' verschraubt Verbindungsstelle kontrolliert und gegebenenfalls sind, hin- und herbeweglich gelagert. Die Schubstanjustiert werden. Dann wird der Halter in das Gehäuse gen weisen am unteren Ende einen Kopf 60 auf, der eingeführt, das dadurch gasdicht geschlossen wird. mit dem Joch 50 zum Eingriff kommen kann, so daß Der Wärmekonzentrationsring liegt nun im Innern die Schubvorrichtung 46 die Schubstange senkrecht der vom Gehäuse getragenen Heizvorrichtung, und 15 nach oben und dann wieder in die Ausgangsstellung das Erhitzen und Verschmelzen der Teile kann ein- nach unten bewegen kann.

wandfrei erfolgen. Dabei befindet sich der Wärme- Der auf dem Sockel 10 angebrachte senkrechte

konzentrationsring in der im Gehäuse herrschenden Ständer 38 weist am oberen Ende einen Querbalken inerten Atmosphäre, so daß er gegen Oxydation ge- 62 auf, an dem ein Gehäuse 64 aufgehängt ist. Dieses schützt ist; seine Lebensdauer beträgt daher ein Viel- 20 Gehäuse nimmt die Diodenhalter 20 während des faches der Lebensdauer von Wärmekonzentrations- Einschließvorganges auf und wirkt als Widerlager ringen, die in freier Atmosphäre erhitzt werden. zur Aufnahme des von der Schubvorrichtung 46 aus-

Während des Erhitzungs- und Einschließvorgangs geübten Stoßes.

befindet sich der zweite Halter außerhalb des Ge- Das Gehäuse 64 ist mit dem darin eingeführten

häuses; er kann inzwischen mit den Teilen einer 35 Halter 20 in Fig. 2 genauer dargestellt. Es besteht weiteren Halbleitervorrichtung bestückt werden. So- aus einer Bodenverschlußplatte 66 und einem oberen bald das Einschließen einer Halbleitervorrichtung Gehäuseabschnitt 68. Die Bodenverschlußplatte 66 beendet ist, wird sie mit ihrem Halter aus dem Ge- ist mit einer Anzahl von Schraubenlöchern 70 verhäuse herausgezogen; dann kann sofort der andere sehen, mit denen das Gehäuse 64 an dem oberen Halter in das Gehäuse eingeführt werden. Somit kön- 30 Querbalken 62 durch eine Anzahl von Gewindebolzen nen das Gehäuse und die Erhitzungseinrichtung ohne 72 befestigt ist. Unmittelbar oberhalb der Bodenver-Unterbrechung betrieben werden. schlußplatte 66 ist eine Hochfrequenzspule 74 ange-

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der ordnet, die aus Kupfer oder einem anderen Leiter-Zeichnung dargestellt. Darin zeigt material besteht und die Form einer U-förmigen Fig. 1 eine teilweise Seitenansicht der Vorrichtung, 35 Schleife hat. Mit der Spule ist ein Kühlrohr 76 zur teilweise im Schnitt, Wasserkühlung der Spule verbunden. Der obere Ab-Fig. 2 einen Schnitt durch das Gehäuse bei einge- schnitt 68 des Gehäuses 64 enthält eine verbreiterte führtem Halter und Mittelkammer 78, die mit zwei seitlichen Öffnungen Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 von Fig. 1. 80 und 82 in Verbindung steht. Diese Öffnungen In der folgenden Beschreibung wird das Einschlie- 40 sind mit Gewindeanschlüssen versehen, in denen ßen einer Halbleiterspitzendiode erläutert, doch ist geeignete Rohrleitungen befestigt werden können, ausdrücklich zu bemerken, daß die Vorrichtung auch Die Kammer 78 führt nach oben zu einer weiteren zum Einschließen von Transistoren oder anderen Kammer 84, die ein senkrecht auf und ab beweg-Halbleitervorrichtungen verwendet werden kann. liches Gewicht 86 enthält. Diese Kammer ist durch

Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung 45 einen Gewindepfropfen 88 verschlossen.
weist einen Sockel 10 auf, der beispielsweise ein auf Der Halter 20 besteht aus zwei trennbaren Teilen

Laufrädern beweglicher Ständer ist. Der Sockel 10 21 und 23. Das Teil 21 verjüngt sich nach unten trägt einen Rahmen 12, der mit Gleitbahnen 14 und konisch und sitzt in einer entsprechend geformten 16 (Fig. 3) ausgestattet ist, die darin eine Führung Fassung des unteren Teils 23. Das untere Teil 23 bilden. In den Gleitbahnen 14 und 16 ist ein Schlitten 50 enthält eine zylindrische Fassung 25 zur Aufnahme 18 gleitbar gelagert. Der Schlitten 18 trägt zwei der Teile der einzuschließenden Diode. Am oberen gleiche Diodenhalter 20 und 20'. Auf dem Sockel 10 Ende der Fassung 25 ist der Wärmekonzentrationsring ist eine druckmittelbewegte Schubvorrichtung 22 be- 90 aus Graphit so angebracht, daß seine Innenfläche festigt, deren Kolbenstange 24 über ein Verbindungs- etwa in Verlängerung der Innenfläche der Fassung glied 26 an einem vom Schlitten 18 nach unten 55 25 liegt.

ragenden Ansatz 28 angelenkt ist. Mittels der Schub- Als Beispiel ist angenommen, daß die einzuschlie-

vorrichtung 22 kann der Schlitten 18 in eine waage- ßende Diode einen rohrförmigen, am einen Ende rechte Hin- und Herbewegung versetzt werden. An offenen Glaskolben hat, an dessen geschlossenem jedem Ende des Schlittens 18 ist ein einstellbarer Ende der Halbleiterkörper angebracht und mit einem Anschlag 30 bzw. 32 angebracht, der mit Puffer- 60 nach außen ragenden Anschlußdraht verbunden ist. stäben 34 und 36 zusammenwirkt, die hin- und her- Der andere Anschlußdraht ist mit der Nadel der

beweglich in einem auf dem Sockel 10 befestigten Ständer 38 gelagert sind. Die Pufferstäbe 34 und 36 sind durch Federn 42 bzw. 44 belastet, die eine Pufferwirkung beim Anhalten des Schlittens 18 an 65 jedem Ende seiner Bewegung ergeben.

Der Sockel 10 trägt eine weitere druckmittelbewegte Schubvorrichtung 46, an deren Kolbenstange 48 ein

Spitzendiode verbunden und trägt eine Glasperle, die mit dem offenen Ende des Kolbens verschmolzen wird.

Beim Zusammensetzen der Diode befindet sich der Halter 20 außerhalb des Gehäuses 64, und der obere Teil 21 ist zunächst abgenommen. Dann wird der Glaskolben 27 mit dem nach unten ragenden An-

Claims

schlußdraht so in die Fassung eingesetzt, daß das offene Ende oben ist und im Innern des Wärmekonzentrationsringes 90 liegt. Dann wird die Glasperle 29 so in die Kolbenöffnung eingesetzt, daß die nach unten ragende Nadel 31 richtig auf dem (in der Zeichnung nicht sichtbaren) Halbleiterkörper aufsitzt und der Anschlußdraht 33 senkrecht nach oben ragt. Schließlich wird der obere Teil 21 des Halters 20 auf den unteren Teil 23 aufgesetzt, wobei der Anschlußdraht 33 durch eine Bohrung des Teils 21 nach oben ragt. Er wird am Ende von einem Magnet 35 gehalten, der gleitbar im Teil 21 sitzt. Der geschilderte Aufbau des Halters 20 und die Art seines Zusammensetzens mit der einzuschließenden Diode stellt keinen Teil der Erfindung dar; es ist offensichtlich, daß der Halter sehr verschieden ausgeführt sein kann, je nach der Art der einzuschließenden Halbleitervorrichtung. Für die Erfindung ist nur wesentlich, daß der Halter das Zusammenfügen der Halbleitervorrichtung außerhalb des Gehäuses 64 gestattet und anschließend so in das Gehäuse hineinbewegt werden kann, daß das Gehäuse dadurch gasdicht verschlossen wird und der Wärmekonzentrationsring 90 richtig im Innern der Heizschleife 74 liegt. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführung des Halters 20 liegt der Graphitring 90 in einem bestimmten Abstand oberhalb der Oberseite des Flansches 92 des Halters 20. Dieser Abstand ist genau gleich dem Abstand, den die Hochfrequenzspule 74 von der Unterseite der Gehäuseplatte 66 hat. An der Oberseite des Flansches 92 ist ein Dichtungsring 94 angebracht, der eine gasdichte Abdichtung ergibt, wenn der Halter 20 in das Innere der Kammer 78 eingeführt ist. Wenn der Halter 20 zusammengebaut ist und die Schubvorrichtung 46 zum Einführen des Halters 20 in das Gehäuse 64 betätigt wird, sitzt der Halter 20 lose in der Kammer 78, während der Flansch 92 des Halters 20 durch den Dichtungsring 94 gasdicht abgedichtet ist, so daß jedes Aussickern von Gas verhindert ist. Der Halter selbst ist nicht gasdicht, und die im Gehäuse 64 vorhandene Atmosphäre tritt auch in das Innere des Halters und rings um den Wärmekonzentrationsring 90. Das Gewicht 86 drückt auf den Magnet 35, um sicherzustellen, daß der Oberteil 21 des Halters 20 während des Einschließvorgangs in fester Berührung mit dem Unterteil 23 bleibt. Falls es erwünscht ist, kann die Diode im Vakuum eingeschlossen werden, wobei die Evakuierung über den Kanal 82 erfolgt. Es werden aber bessere Ergebnisse erzielt, wenn zunächst die Kammer 78 über den Kanal 82 evakuiert wird und anschließend ein inertes Gas, z. B. Stickstoff, unter einem geeigneten Druck, beispielsweise 7 kg/cm2, durch den Kanal 80 eingeführt wird. Die Eigenschaften der Halbleiterdiode sind besser, wenn das darin befindliche inerte Gas nach dem Abkühlen einen über dem Atmosphärendruck liegenden Druck hat. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, während des Einschließvorgangs einen Druck zwischen 5 und 9 kg/cm2 in dem Gehäuse 64 aufrechtzuerhalten. Dann wird der Spule 74 Hochfrequenzenergie zugeführt, wodurch der Ring 90 erhitzt wird und seine Wärme auf den Kolben 27 und die Glasperle 29 überträgt. Es wurde festgestellt, daß die Lebensdauer des Graphitringes 90 etwa 15mal größer ist, wenn das Gehäuse 66 beim Einschließen der Diode mit einem unter Druck stehenden inerten Gas gefüllt ist, als wenn dieser Abschnitt der Vorrichtung lediglich einer normalen, oxydierenden Atmosphäre ausgesetzt ist. Der Druck des inerten Gases in der verschlossenen Diode nimmt natürlich ab, wenn die Temperatur der Diode auf die Umgebungstemperatur zurückgeht« Es bleibt jedoch ein Restdruck, der etwas über dem Atmosphärendruck liegt. Nach Beendigung des Einschließvorgangs wird der Halter 20 mittels der Schubvorrichtung 46 aus dem Gehäuse 64 herausgezogen. Dann wird der Schlitten mittels der Schubvorrichtung 22 so verschoben, daß der andere Halter 20' vor das Gehäuse 64 gebracht wird. Das Joch 50 greift dabei in die Schubstange 58 dieses Halters ein. Der Halter 20' ist zuvor mit den Teilen einer weiteren Diode beschickt worden und kann nun zur Durchführung des Einschließvorgangs in das Gehäuse 64 eingeführt werden. Inzwischen wird die fertige Diode aus dem Halter 20 entnommen, der sogleich wieder mit den Teilen der nächsten Diode beschickt wird. In der vorstehenden Beschreibung wurde angenommen, daß das Beschicken und Entleeren der Diodenhalter und die Betätigung der druckmittelbewegten Schubvorrichtungen 22 und 46 von Hand geschieht, doch können offensichtlich diese Vorgänge auch durch automatische Einrichtungen nach einem vorbestimmten Programm gesteuert werden. Beispielsweise können die Stäbe 34 und 36 mit Schaltern verbunden werden, die die Betätigung der Schubvorrichtung 46 steuern. !-1ATk N TAN S PRU Clic:

1. Vorrichtung zum Einschließen einer Halbleitervorrichtung in einem Glaskolben mit einem gasdicht verschließbaren Gehäuse, das die zu verbindenden Teile der Halbleitervorrichtung während des Einschließens aufnimmt, mit Einrichtungen zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Atmosphäre im Inneren des Gehäuses und mit Einrichtungen, mit denen die zu verbindenden Teile zur Durchführung des Einschlusses erhitzt werden, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Halter, von denen jeder die Teile einer Halbleitervorrichtung vor dem Einschließen in der richtigen Lage zusammenhalt und einen in der Nähe der Verbindungsstelle liegenden Wärmekonzentrationsring trägt, einen Träger für die Halter, eine Vorrichtung, die den Träger in verschiedene Stellungen bewegt, in denen jeweils einer der Halter vor dem Gehäuse liegt, eine Einrichtung, die den vor dem Gehäuse liegenden Halter in das Gehäuse bewegt und dieses gasdicht verschließt, eine Vorrichtung zum Einführen eines inerten, unter Druck stehenden Gases in das Gehäuse, und durch eine vom Gehäuse getragene Heizvorrichtung, die so angeordnet ist, daß sie in der Nähe des Halters und des davon getragenen Wärmekonzentrationsringes liegt, wenn der Halter in das Gehäuse eingeführt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger durch eine druckmittelbewegte Schubvorrichtung in waagerechter Richtung verschiebbar ist, damit jeweils einer der Halter vor das Gehäuse gebracht wird, und daß

der vor dem Gehäuse liegende Halter in senkrechter Richtung von dem Trägerin das Gehäuse beweglich ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine weitere druckmittelbewegte Schubvorrichtung, dessen Kolbenstange am Ende ein

offenes Joch trägt, das mit dem von dem Gehäuse liegenden Halter zum Eingriff kommt.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2736 847, 2779 134; britische Patentschriften Nr. 721201, 753 135.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen