DE1252806B

DE1252806B - In Glas eingeschmolzenes Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1252806B
Application number: DEN25701A
Authority: DE
Inventors: Shinzo Anazawa; Tsukasa Koyama; Shigeru Tsuji
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1963-12-23
Filing date: 1964-10-20
Publication date: 1967-10-26
Also published as: US3377522A

Description

Die Erfindung betrifft ein in Glas eingeschmolzenes Halbleiterbauelement, dessen Anschlußleiter in die Glasmasse aus gesintertem Glaspulver unmittelbar eingebettet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Halbleiterbauelements.

Es gibt zuverlässig arbeitende und billig herstellbare Miniatur-Halbleitereinrichtungen, bei denen der Halbleiter unmittelbar in Glas mit niedrigem Schmelzpunkt oder in bei niedriger Temperatur schmelzendes Glas, welches durch Wärmebehandlung entglast wird und sich in Keramik verwandelt (im folgenden als »entglaste Keramik« bezeichnet), eingeschmolzen ist. Zum Beispiel werden Dioden, die aus einem Halbleiterelement und Anschlußleitungen bestehen, in Glas mit niedrigem Schmelzpunkt hermetisch abgeschlossen is eingeschmolzen. Ebenso werden Transistoren, die aus einem Halbleiter, Anschlußleitungen und einer keramischen Schicht bestehen, nach Zusammenbau dieser Teile in Glas mit niedrigem Schmelzpunkt hermetisch abgeschlossen eingeschmolzen. ao

Bei diesen Bauarten von Halbleitereinrichtungen entstehen jedoch in dem Halbleiterelement und in der Glasmasse oder der entglasten Keramikmasse Spannungen, wenn die Wärmeausdehnungskoeffizienten der die Einrichtung bildenden Stoffe nicht einander as angepaßt sind. Daraus ergeben sich unerwünschte Wirkungen auf die Kennwerte der Halbleitereinrichtungen, und es entsteht Bruchgefahr bei Wärmestößen.

Die Verringerung der beim Einschmelzen bei einander nicht angepaßten Ausdehnungskoeffizienten der Stoffe entstehenden bleibenden Spannung auf einen Kleinstwert kann dadurch erreicht werden, daß der absolute Wert der Spannung vermindert, oder dadurch, daß die Spannung verteilt wird. Das erstere wird durch Senken des Erstarrungspunktes des Glases oder der entglasten Keramik erzielt, während das zweite durch Bildung von Bläschen im Glas oder der entglasten Keramik erreicht wird. Die Temperatur, bei der sich die Spannungen ausbilden, wird also möglichst herabgesetzt, und zugleich werden beim Einschmelzen des Elementes kleine, gleichförmig verteilte Bläschen in der Glas- oder entglasten Keramikmasse gebildet.

Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Bläschen im Glas bekannt. Es ist z. B. bekannt, feinen Glasstaub zu sintern, so daß die halbgeschmolzenen Teilchen aneinanderhaften und Bläschen zwischen sich einschließen. Diese Maßnahme reicht jedoch allein meist nicht aus, und daher wird in vielen Fällen eine SubsUnz verwendet, die durch eine Reaktion, wie Oxydation, Zerfall in der Wärme oder Sublimation, Gas erzeugt, z. B. CaCo,, welches durch Zersetzung in der Wärme Gas erzeugt, Kohle, weiche gasförmig In Glas eingeschmolzenes Halbleiterbauelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Anmelder:

Nippon Electric Company, Limited, Tokio Vertreter.

Dipl.-Ing. M. Bunke, Patentanwalt, Stuttgart, Schloßstr. 73 B

Als Erfinder benannt: Shigeru Tsujt, Shinzo Anazawa, Tsukasa Koyama, Tokio

Beanspruchte Priorität: Japan vom 23. Dezember 1963 (69 379)

oxydiert, oder TeO,, welches durch Sublimation gasförmig wird.

Bei einem bekannten derartigen Herstellungsverfahren wird pulverisiertes Glas, z. B. mit einer Zusammensetzung von 71,55 SiO_l + 2,16 (Al, + Fe_tO₃) -I- 9,50 CaO + 2,48 MgO + 14,31 (Na₁O + Κ,Ο) mit einem beliebigen Anteil, beispielsweise l^e/o pulverisierter gaserzeugender Substanz, beispielsweise Kohle, gemischt und die Mischung auf z. B. 400° C vorgewärmt und darauf schnell auf 700° C erhitzt. Die erhitzte Mischung wird dann z. B. bei 850° C gesintert und danach langsam auf z. B. 600° C abgekühlt. Dieses Verfahren ist jedoch nur bei einem Glas mit flach ansteigender Temperatur-Viskositäts-Kurve anwendbar, d. h. bei einem Glas mit hohem Schmelzpunkt. Bei Glas mit steil ansteigender Temperatur-Viskositäts-Kurve, also einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt, ist dieses Verfahren nicht anwendbar.

Mit gewöhnlichem Glas bildet sich z. B. Blasenglas bei einer Temperatur von 300 bis 400° C, jedoch ist der Temperaturbereich bei Glas niedrigen Schmelzpunktes sehr eng. Wenn z. B. Pb₃O₄ als gaserzeugende Substanz in Verbindung mit Glas Nr. 7570 der Coming-Glaswerke der Vereinigten Staaten verwendet wird, liegt der Temperaturbereich zwischen 30 und 50° C Dementsprechend ist eine aufwendige technische Einrichtung erforderlich, um diesen Temperaturbereich ein-

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Claims

zuhalten, so daß unerwünschte Kosten entstehen. AuOerdem ist es schwierig, gleiche und gleichförmig verteilte Bläschen zu erzeugen, wie es für die Erzielung eines vollkommen luftdichten Abschlusses notwendig ist. Deshalb sind stark gaserzeugende Substanzen zur S Bildung solcher Bläschen in einem Glas niedrigen Schmelzpunktes ungünstig. Weiterhin ist ein Verfahren bekannt, wonach die Elemente eines Halbleiterbauelements in eine Glaspulvermasse eingesintert werden. Wenn sich hierbei möglicherweise auch Glasbläschen ausbilden können, so muß man zur Vermeidung mechanischer Spannungen zwischen dem Sinterkörper und den Zuleitungen besondere Anpassungsmaßnahmen treffen. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Halbleiterbauelements der genannten Art, wo trotz einander nicht angepaßter Wärmeausdehnungskoeffizienten der Stoffe die restliche Spannung auf einen Kleinstwert verringert ist, ohne daß zusätzliche Maßnahmen getroffen werden müssen. ao Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die niedrigschmelzende Glasmasse oder entglaste Keramik ein mit der Glasmasse oder der Keramik nicht reagierendes Feststoffpulver sowie um die Pulverteilchen gelegene Gasbläschen enthält. aj Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung besteht das Feststoffpulver aus einer Keramikmasse. Das durch die Erfindung vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements ist dadurch gekennzeichnet, daß das Glas oder die an seiner Stelle verwendete entglaste Keramik und das der Blasenbildung dienende Feststoffpulver gemischt werden, wonach die Mischung bis zur Vergußfähigkeit erhitzt und die Halbleitereinrichtung mit der Masse umgössen wird. Die Erfindung ermöglicht durch Verwendung der Feststoffpulverteilchen die Erzeugung einer ausreichenden Menge von Gasbläschen in einer niedrigschmelzenden Glasmasse. Bereits bei der Erhitzung auf den vergleichsweise niedrigen Erweichungspunkt bilden sich um die Feststoffpuiverteilchen Gasbläschen in der erwünschten Menge, die eine spannungsfreie Einbettung der Halbleiterelemente in die Glasmasse ermöglichen. Wenn die Mischung beim Einschmelzen des Halbleiterbauelements erhitzt wird, dehnt sich die in den Teilchen der pulverisierten porösen Substanz enthaltene Luft aus und bildet Bläschen, in die die Teilchen als kleine Kerne eingelagert sind. Da die Bläschen nahe der Einschmelztemperatur beweglich sind, entstehen sie gleichförmig um jedes feine Pulverteilchen. Dieses Verfahren ist sehr einfach und daher sehr billig. Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. F i g. 1 und 2 zeigen Querschmtte einer in bekannter Weise in Glas eingeschmolzenen Diode bzw. eines Transistors und F i g. 3 und 4 Querschnitte einer in der erfindungsgemäßen Weise in Glas eingeschmolzenen Diode bzw. eines Transistors. Gemäß F i g. 1 ist eine Diode, die aus einem Halbleiterelement 1 und Anschlußleitungen 2 und 3 besteht, in bekannter Weise unmittelbar in Glas 4 von niedrigem Schmelzpunkt eingeschmolzen und hermetisch darin eingeschlossen. Gemäß F i g. 2 ist ein Transistor, der aus einem Halbleiterelement 1, Leitungen 2, 3 und einer keramischen Schicht 5 besteht, nach dem Zusammenbau unmittelbar in Glas 4 von niedri- gern Schmelzpunkt eingeschmolzen und hermetisch darin eingeschlossen. F i g. 3 zeigt eine Diode, die aus den Leitungen 2 und 3, z. B. Silberstreifen von 0,1 mm Dicke und 1 mm Breite und einem Halbleiterelement 1, z. B. einem Mesa-Silikon-Diodenelement von 0,6 ram* Querschnitt besteht und die erfindungsgemäß in Blasengias 4 eingeschmolzen ist. Das Blasenglas ist z. B. wie folgt hergestellt. Ein Glas von niedrigem Schmelzpunkt und der Zusammensetzung 57,6 PbO— 12,2 B2O3 — 2 AliO3 — 28,2 Tl8O, einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 126 · IO"7 und einer Vergußtemperatur von etwa 360°C wurde zu einer Siebfeinheit über 300 pulverisiert und mit 5,7 Gewichtsprozent einer Keramikmasse der Gruppe LiiO— Al2O3—SiO2, beispielsweise Eukryptit (LiaO—Al2O3— 2 SiO2), die ebenfalls zu einer Siebfeinheit von über 300 pulverisiert wurde, innig gemischt. Wenn diese Mischung unmittelbar oder vorzugsweise nach einer Sinterung bei etwa 310°C und nochmaliger Pulverisierung zu einer Siebfeinheit über 300 bei etwa 360"C vergossen wird, bilden sich in der die Halbleitereinrichtung einschließenden Glasmasse rundherum die Spannung vermindernde Bläschen 6. Die Kennwerte des Halbleiterelementes werden hierbei nicht beeinflußt, und Temperaturstöße, z. B. fünfzig aufeinanderfolgende Temperaturänderungen zwischen 0 und IOO0C Wassertemperatur, verursachten keine Rißbildung in der einschließenden Glasmasse, die einen vollkommen luftdichten Abschluß aufrechterhält. Das in F i g. 4 gezeigte Halbleiterelement, welches aus den Leitungen 2 und 3, z. B. Kupferstreifen von 0,1 mm Dicke und 0,6 bis 1 mm Breite, z. B. einem Planar-Silikon-Transistorelement 1 von 0,7 mm3 Querschnitt und einem keramischen Plättchen 5, z. B. einem Forstcritplättchen besteht, ist erfindungsgemäß in ein Blasenglas von niedrigem Schmelzpunkt eingeschmolzen. Zur Erzeugung des Bläschen enthaltenden Glases wurde z. B. Glas einer Zusammensetzung von 71 PbO — 5 B2O3 — 15 Bi2O3 — 9 Tl2O mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 134,4 · IO"7 und einer Vergußtemperatur von 350" C zu einer Siebfeinheit über 300 pulverisiert und mit 7,2 Gewichtsprozent einer ebenfalls zu einer Siebfeinheit von über 300 pulverisierten festen Substanz vermischt, z. B. Glas Nr. 9010 der Coming-Glaswerke der USA. oder Tonerde. In die Mischung, die bei 3000C gesintert und darauf zu einer Siebfeinheit von über 300 pulverisiert wird, wird das Transistorelement eingeschmolzen. Ein in dieser Weise eingeschmolzener Transistor erwies sich als gegen Wärmestöße unempfindlich und als hermetisch abgeschlossene Halbleitereinrichtung, deren Kennwerte beim Einschließen nicht beeinflußt worden waren. Die vorliegende Erfindung ist zwar an Hand spezieller Einrichtungen und Zusammensetzungen in der Beschreibung erläutert, doch sollen derartige Ausführungsbeispiele nur der Klarstellung der offenbarten Erfindung dienen; der Schutzumfang soll nicht auf diese AusfUhrungsbeispiele beschränkt sein. Patentansprüche:

1. InGlaseingeschmolzenes Halbleiterbauelement, dessen Anschlußleiter in die Glasmasse aus gesintertem Glaspulver unmittelbar eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrigschmelzende Glasmasse oder entglaste Keramik ein mit der Glasmasse oder der Keramik

nicht reagierendes FeststorTpulver sowie um die Pulverteilchen gelegene Gasbläschen enthält.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Feststoffpulver aus einer Keramikmasse. S

3. Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas oder die an seiner Stelle verwendete entglaste Keramik und das der Blasenbildung dienende FeststorTpulver gemischt to werden, wonach die Mischung bis zur Vergußfähigkeit erhitzt und die Halbleitereinrichtung mit der Masse umgössen wird.

4. Verfahren zur Herstellung des Halbleiterbauelements nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Glas oder die an seiner Stelle verwendete entglaste Keramik und das der Blasenbildung dienende Feststoffpulver gemischt werden, daß die Mischung gesintert und das gesinterte Erzeugnis nochmals pulverisiert wird, worauf das ao

Halbleiterbauelement in die so entstandene Masse eingeschmolzen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas oder die entglaste Keramik, dessen bzw. deren Vergußtemperatur zwischen 340 und 370°C und dessen bzw. deren Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen etwa 125 und 135 · IO^-7 liegt, mit 5 bis 8 Gewichtsprozent des blasenbildenden Feststoffpulvers in der Feinheit eines Dreihundertmaschenstebes gemischt werden, daß die Mischung bei 290 bis 320° C gesintert und darauf das gesinterte Erzeugnis nochmals auf die Feinheit eines Dreihundertmaschensiebes pulverisiert wird, wonach die Halbleitereinrichtung in die so entstandene Masse bei etwa 360° C eingeschmolzen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 083 439.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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