DE1489916C - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteran- in erster Linie zum Schutz gegen atmosphärische Einordnung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens flüsse.

einen pn-Ubergang und einen diesen schützenden Weiterhin sind Gießharzumhüllungen für Gleich-

Oxidüberzug aufweist, und mit einer Schutzkapsel, richterplatten bekannt, wobei zwischen der Gießharz-

die mindestens den den pn-Übergang enthaltenden 5 hülle und der^Gleichrichterplatte eine Isolationsschicht

Teil des Halbleiterkörpers umgibt, wobei zwischen vorgesehen ist. Diese Gießharzumhüllungen sollen aus

dem Halbleiterkörper bzw. der Oxidschicht und der einem Werkstoff bestehen, der mit der Isolations-

Schutzkapsel ein elektrisch isolierender Trennstoff vor- schicht keine physikalische oder chemische Bindung

gesehen ist, der gegenüber den Materialien der genann- eingeht. Hierdurch soll verhindert werden, daß bei län-

ten angrenzenden Teile chemisch inert ist und eine io gerer Betriebsdauer, insbesondere bei thermischen

chemische Reaktion zwischen dem Halbleiterkörper Wechselbeanspruchungen, Spannungsrisse in der Gieß-

und der Schutzkapsel verhindert. harz-Isolationsschicht auftreten.

Eine derartige Halbleiteranordnung ist beispiels- Bei all diesen Halbleiteranordnungen tritt trotz des weise ein Transistor, bei dem der Halbleiterkörper auf elektrisch isolierenden Trennstoffs immer wieder die einer metallischen Unterlage befestigt ist, die teilweise 15 Schwierigkeit auf, daß die in der Nähe des Halbleiteroder ganz eine elektrische Verbindung oder auch eine körpers liegende Epoxydharze, die vorzugsweise zum äußere Zuleitung zu einer der für den Betrieb wichtigen Einkapseln der Halbleiteranordnung verwendet wer-Zonen des Transistors, beispielsweise zur Emitter-, den, chemisch mit diesem reagieren, wenn die Tem-Basis- oder Kollektorzone darstellt. Mit den anderen peraturen des pn-Uberzugs in dem Halbleiterkörper für den Betrieb wichtigen Zonen des Halbleiterkörpers 20 100° C überschreiten. Dadurch werden einige der eleksind elektrische Leiter, beispielsweise Drähte, verbun- irischen Parameter ungünstig beeinflußt. Das geht beiden. Sie sind ihrerseits an äußeren Zuleitungen zu der spielsweise aus dem Abnehmen des .D-C-Beta-Wertes Halbleiteranordnung befestigt oder ersetzen diese. Bei ( = Vorwärtsgleichstromverstärkung großer Signale solchen Transistoren ist der Halbleiterkörper und min- bei Emitterschaltung) oder des Wertes h_FE ( = statidestens ein Teil der zu diesen führenden elektrischen 25 sches Übertragungsverhältnis IcIIb des Vorwärts-Anschlüsse in ein elektrisch isolierendes Material, bei- Stroms bei Emitterschaltung) hervor. Die Verkleinespielsweise Epoxidharz, eingekapselt oder eingebettet, rung solcher Größen, beispielsweise des D-C-Betawobei die äußeren Teile der Zuleitungen nach außen . . Wertes, ist in vielen Schaltungen mit Transistoren sehr ragen. Diese äußeren Zuleitungen können zusätzlich 'unerwünscht.

durch ein Kopfstück aus Isoliermaterial, beispielsweise 30 Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Phenolharz, geführt sein, welches als Stütz-, Abstands- die Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art und Ausrichtungsglied für die Zuleitungen dient, und so fortzubilden, daß sie auch bei höheren Betriebsbis zu dem sich das Gehäuse ausdehnen und so einen temperaturen von etwa "150° C ihre Eigenschaften mögmit dem Kopfstück einheitlich verbundenen Bauteil bil- liehst wenig gegenüber denjenigen bei Normaltemperaden kann. 35 tür ändert.

Bekannte Halbleiteranordnungen besitzen neben Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Trenn-

dem schützenden Oxidüberzug gegen Feuchtigkeit und stoff aus Bornitrid oder aus einer Mischung vonFeld-

anderen Verunreinigungen auch eine Schutzkapsel, die spat, durch Luft aufgeschwämmten Ton oder Bentonit

weiteren Schutz gegen mechanische Erschütterungen, besteht.

thermische Störungen, chemische-Zersetzungen oder 40 Bei Verwendung derartiger Trennstoffe ergeben sich

ähnliche Einflüsse gewährt und die Halbleiteranord- auch bei hohen Temperaturen geringe Sperrströme, und

nung unempfindlicher macht, wodurch eine anschlie- die Gleichstromverstärkung bleibt bis zu hohen Tem-

ßende Behandlung, das ' Verpacken, das Verkaufen peraturen im wesentlichen konstant,

oder der Gebrauch vereinfacht werden. Es ergeben sich also Halbleiteranordnungen, die bei

Es ist außerdem schon eine Halbleiteranordnung der 45 gleichbleibender Größe der genannten elektrischen eingangs erwähnten Art bekannt, bei denen als Trenn- Parameter mit wesentlich höheren Leistungen betrieben stoff zwischen der Schutzkapsel und der Oxidschicht werden können bzw. die bei Betrieb im üblichen Stromeine in viskosem Zustand aufgebrachte Lackschicht bereich unempfindlich gegen Überlastungen sind. Folgverwendet wird, wodurch eine unerwünschte direkte Hch ist der Anwendungsbereich dieser Halbleiteran-Berührung des Materials der Schutzkapsel mit der 5? .Ordnungen stark erweitert. . .

Halbleiterscheibe und somit auch eine chemische Reak- Ausführungsformen der Erfindung werden nach-

tion zwischen diesen Materialien verhindert wird. Die stehend beschrieben und an Hand der Zeichnungen

Schutzkapsel besteht dabei aus einem verfestigten syn- näher erläutert.

thetischen Harz oder einem Kunststoff, wie z. B. Me- ' Fi g. 1 zeigt den Halbleiterkörper eines Transistors,

thylmethacrylat, und,, gegebenenfalls einer äußeren 55 auf den die Erfindung insbesondere angewendet wer-

Form. Hierdurch soll bereits die Aufgabe gelöst wer- den kann;

den, Halbleitereinrichtungen, wie Transistoren od. dgl., F i g. 2 zeigt die Teiiansicht eines Transistors unter

mit verbesserten, stabilisierten Oberflächeneigenschaf- Verwendung des Hälbleiterkörpers nach der F i g. 1

ten zu schaffen, so daß sie über lange Zeiten gelagert während einer Zwischenstufe des Herstellungsverfah-

und betrieben werden können, auch wenn sie höheren 60 rens;

Temperaturen oder .Feuchtigkeitsgraden ausgesetzt F i g. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Bauele-

sind. "". ' " mentes nach der Fig. 2, nachdem erfindungsgemäß

Es sind ferner auch schon Halbleiteranordnungen be- die Herstellung beendet ist;

kannt, bei denen die pn-Uberzüge.zum Schutz gegen F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch das Bauelement

atmosphärische Einflüsse mit einer Schicht aus Iso- 65 nach der F i g. 3;

lierlack abgedeckt sind, die einen Füllstoff aus einem F i g. 5 ist die Draufsicht auf ein Bauelement, das fein verteilten, faserigen oder blätterförmigen elektri- _;.dem in der Fi g. 2 gezeigten ähnlich ist, nach einem sehen Isoliermaterial enthält. Der Füllstoff dient dabei ^! weiteren Herstellutigsschritt gemäß der Erfindung;

F i g. 6 ist der F i g. 5 ähnlich und zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel.

Der Transistor nach der F i g. 1 enthält ein elektrisch aktives Element. Dieses besteht aus einem Halbleiterkörper 2 aus z. B. Silizium in der Form einer z. B. 0,1 bis 0,2 mm dicken und 0,65 bis 2,6 mm² großen Platte. Der Halbleiterkörper hat eine Anzahl von elektrisch aktiven Zonen, z. B. eine Kollektorzone 4, eine Basiszone 6 und eine Emitterzone 8. Der Halbleiterkörper kann durch Eindiffundieren derart mit Zusätzen oder Verunreinigungen versehen sein, daß die Basiszone 6 vom entgegengesetzten Leitungstyp wie die Emitterzone 8 und die Kollektorzone 4 ist. Dadurch entstehen zwei pn-Übergänge 10 und 12 innerhalb des Halbleiterkörpers. Der Halbleiterkörper kann z. B. eine Kollektorzone 4 aus η-leitendem Silizium, eine durch Diffusion von z. B. Bor in den Halbleiterkörper entstandene p-leitende Basiszone 6 und eine durch Diffusion von z. B. Phosphor in die Basiszone entstandene Emitterzone 8 enthalten. Zur Bildung nichtgleichrichtender Kontakte 16, 18 sind die Basis- und die Emitterzone mit leitenden Schichten aus z. B. Aluminium versehen, die das Anbringen von Zuleitungen erleichtern. Zwischen den Emitter- und Basiskontakten 16,18 und an den Stellen, wo die pn-Übergänge 10,12 an die Oberfläche des Halbleiterkörpers treten, ist der Halbleiterkörper mit einer Schutzschicht 19 aus Isoliermaterial bedeckt, welches bei Verwendung eines Siliziumelements zweckmäßigerweise aus einem Oxid des Siliziums besteht.

Der Halbleiterkörper ist auf einem Stützglied 20 mit bandförmigem Querschnitt aus Kovar oder Stahl befestigt, das z. B. eine Breite von 1,3 mm und eine Dicke von 0,12 bis 0,26 mm hat. Die den Emitter- und Basiskontakten 16, 18 gegenüberliegende große Seite des Halbleiterkörpers ist so mit dem Stützglied 20 verbunden, daß dieses in dauernd leitendem Kontakt mit ihr ist, in dem durch Verlöten oder Verschweißen für einen nichtgleichrichtenden, elektrisch leitenden Übergang gesorgt ist. Zum leichteren Anbringen des Halbleiterkörpers auf dem Stützglied wird eine Zwischenschicht 24 aus Metall, wie z. B. Gold oder mit den gleichen Verunreinigungen wie die Kollektorzone dotiertes Gold, verwendet, um zwischen dem Stützglied 20 und dem Halbleiterkörper 2 eine Lötschicht auszubilden.

An den Emitterkontakt 18 des Halbleiterkörpers ist durch ein an sich bekanntes Verfahren, z. B. thermische Kompression, in nichtgleichrichtender Weise das eine Ende eines Stückes Golddraht oder eines anderen geeigneten Metalldrahts angebracht, welcher einen Durchmesser von etwa 0,025 mm hat und die Zuleitung 26 zum Emitter bildet. In ähnlicher Weise ist der Basiskontakt 16 mit einer Basiszuleitung 28 versehen.

Das Stützglied 20 ist mechanisch und in elektrisch leitender Verbindung durch die Schweißstelle 22 an. einer mittleren Stützstrebe 34 des Kopfstücks 30 an-, gebracht, welches aus einer Scheibe 31 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. Phenolharz, besteht, durch die die Stützstrebe 34 hindurchgeht. In ähnlicher Weise gehen zwei Seitenstreben 32 und 36 durch die Scheibe 31 hindurch. An diesen Streben sind die Basiszuleitung 28 bzw. die Emitterzuleitung 28 durch die Schweißstellen 39 bzw. 38 befestigt. Das Kopfstück 30 kann als dauernde oder zeitweilige Stütze zur Aufrechterhaltung des Abstands und der relativen Lage der äußeren Zuleitungen zueinander dienen, welche durch die drei Streben 32, 34 und 36 gegeben sind.

Schließlich werden nach der Herstellung des eigentlichen Halbleiterbauelements der Halbleiterkörper 2 und die ihm benachbarten Zuleitungen in ein isolierendes Gehäuse 50 aus z. B. Epoxidharz, eingekapselt oder eingebettet, wie gleich noch näher beschriebsn wird. Vor der Einkapselung werden jedoch gemäß dsr Erfindung der Halbleiterkörper und die benachbarten Teile der elektrischen Anschlüsse nach der F i g. 4 mit einer Masse 44 bedeckt, die als Trennstoff dient, damit das isolierende, das Bauelement umhüllende Gehäuse 59 nicht mit dem Halbleiterkörper 2 in Berührung kommt.

Der Trennstoff muß elektrisch isolieren und darf weder mit dem umhüllenden Gehäuse noch mit anderen angrenzenden Stoffen chemisch reagieren. Weiterhin darf der Trennstoff nicht ionisierbar sein, muß einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der sich zur Vermeidung von Bruchstellen auf Grund thermisch bedingter Größenänderungen dem Halbleiterkörper, dem umhüllenden Gehäuse und anderen benachbarten Stoffen anpaßt, und darf nicht unter 200⁰C schmelzen. Außerdem darf er mit anderen Materialien, die wie die Schutzschicht 19 direkt am Halbleiterkörper angebracht sind, nicht zusammensintern oder diese irgendwie anders schädlich beeinflussen. Als Trennstoff 44 erfüllen verschiedene mineralische, nichtmetallische Stoffe die obigen Erfordernisse, wie z. B. Oxide, Nitride, Karbonate und Silikate, die alle für diesen Zweck geeignet sind. Es hat sich jedoch gezeigt, daß Stoffe mit überwiegend flacher oder plättchenförmig ausgebildeter Kristallstruktur im Gegensatz zu denen mit kugelförmigen, eckigen oder fadenförmigen Kristallen wirkungsvoller die gasförmigen oder flüssigen Verunreinigungen abhalten, die bsi relativ hohen Temperaturen von etwa 15O⁰C von dem Gehäusematerial losgelöst werden.

Der hier bevorzugte Trennstoff ist Bornitrid. Diese Bevorzugung beruht auf elektrischen Messungen an fertigen Transistoren. Dabei wurden Spsrrströms, wi z. B. Icbo (Kollektor-Gleichstrom bei umgekehrt vorgespannter Kollektorübergangszone und offenen· Emitterkreis) und Ϊεβο (Emitter-Gleichstrom bsi um gekehrt vorgespannter Emitterübergangszorte uiit' offenem Kollektorkreis) sowie die Änderung de.' D-C-Beta-Wertes mit der Temperatur gemessen. Eir weiterer hier bevorzugter Trennstoff ist folgendermaßen zusammengesetzt:

Feldspat, Na₂K₂O

Al₂O₃- 4SiO₂

69 Gewichtsprozent

durch Luft aufgeschwemmter Ton '

Al₂O₃ — 2 SiO₂ ... 29 Gewichtsprozent Bentonit

: ...-..- Al₂O₃ — 2 SiO₂ ... 2 Gewichtsprozent,

Der Tfennstoff 44 kann auf verschiedene Weise ~ängebracht werden, z. B. durch Aufstreichen, Aufsprühen, Eintauchen, Aufspritzen oder durch Elektrophorese. Vorzugsweise wird der Trennstoff 44 dadurch aufgebracht, daß man die Halbleiteranordnung in ein mit breiartigem, fein zerteiltem Trennstoff gefülltes Gefäß eintaucht. Der Brei wird vorzugsweise aus 98 Gewichtsanteilen fein zerteiltem Bornitridpulver, 2 Gewichtsanteilen einer entfiockenden Substanz, wie z. B. feinzerteiltes Betonit mit einer Teilchengröße von 40 bis 50 μΐη oder einer Teilchengröße, die kleia genug ist, um durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von etwa 0,045 mm zu gehen, und 100 Gewichtsanteilen ionenfreiem Wasser zusammengesetzt. Dsr Halbleiterkörper 2 und die benachbarten Teile der

Anschlüsse 26, 28 werden in ein solches breiiges Bad gegeben, wobei sich die Anordnung, wie in der Fig. 6 dargestellt, mit dem Trennstoff 44 bedeckt. Nachdem er in breiiger Form aufgetragen ist, wird der Trennstoff 44 erhärtet, indem er unter Luft für etwa 1 Stunde bei etwa 150° C in einem Konvektionsofen getrocknet wird.

Wenn der Trennstoff trocken ist, folgt der letzte Herstillungsschritt, nämlich das Einkapseln des Bauelements in die Schutzkapsel 50. Vorzugsweise wird für diese eine formbare Epoxidharz-Verbindung mit hoher Wasserundurchlässigkeit verwendet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Schutzkapsel 50 sollte sich ebenfalls dem der eingeschlossenen Stoffe und auch dem des Stoffs des Kopfstücks 30, wenn dieses fest eingebaut bleibt, möglichst gut anpassen. Als Stoff für die Schutzkapsel 50 ist ein durch Säureanhydride härtendes Harz geeignet. Wenn dieses Harz mit einem Polycarbonsäureanhydridhärter und einem Verdünnungsmittel geringer Viskosität gemischt wird, dann kann es gegossen oder geformt werden, wie es in der F i g. 3 gezeigt ist. Weiterhin kann es dann über mehrere Stunden auf einer Temperatur von 100° C gehalten und dadurch gehärtet werden. Die Härtezeit wird verringert, wenn man einen von den bekannten Harzkatalysatoren, wie z. B. Benzyldimsthylamin, verwendet. Als Material für die Schutzkapsel lassen sich auch z. B. Glas oder ein strahlenundurchlässiges Material, wie Blei, verwenden.

Ein Transistor gemäß der Erfindung hat viele Vorteile. Da der Trennstoff 44 selbst nicht notwendigerweise mechanisch so stabil oder unempfindlich ist, um seinen Platz einzuhalten, wird er durch die Schutzkapsel 50 auf seinem Platz festgeklemmt. Dadurch bildet sich eine dauerhafte Zwischenschicht aus, die fortwährend einen Kontakt oder ein chemisches Zusammenwirken zwischen dem Gehäuse und dem Halbleiterkörper verhindert. Weiterhin ist der Trennstoff für gasförmige oder flüssige Verunreinigungen sowie andere schädliche Stoffe, die während des Betriebs des Transistors bei hohen Temperaturen in den Übergangszonen auftreten können, nahezu vollständig undurchlässig. Daher beschränkt der Trennstoff in wirksamer Weise chemische Reaktionen zwischen der Kapsel oder anderen Stoffen und dem Halbleiterkörper auf ein Minimum, wodurch selbst bei Temperaturen im Bereich zwischen 100 und 150° C oder mehr diese Umstände nicht mehr dazu beitragen, den Halbleiterkörper elektrisch oder chemisch zu verschlechtern. Der Trennstoff sorgt daher dafür, daß bei der Wahl des Materials für die Schutzkapsel dessen chemische Reaktionsfähigkeit nicht mehr so wichtig ist, d. h., er läßt einen weiteren Bereich von chemischen Eigenschaften des Kapselmaterials zu, so daß dessen mechanische und thermische Eigenschaften, wie z. B. die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmsausdshnung in bezug auf die Anpassung, sowie ein großar Widerstand gsgenüber Erschütterungen oder Vibrationen optimal eingestellt werden können. Die Kosten des Trennstoffs sind relativ unbedeutend, und er ist leicht aufzutragen; doch werden durch seine Gegenwart nicht nur die Grenzen momentaner, elektrischer Belastbarkeit heraufgesetzt,

ίο sondern auch die Charakteristiken des Halbleiterbauelements bei langen Betriebszeiten konstant gehalten. Das kommt insbesondere durch den Wegfall der auf thermisch-chemischem Wege erzeugten elektrischen Nachteile, die insbesondere beim Betrieb mit hoher Leistungsdichte auf Grund hoher Temperaturen in der Übergangszone auftreten. Daher wird eins Halbleiteranordnung mit längerer Lebensdauer und größsrer Betriebssicherheit erhalten.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens einen pn-Übergang und einen diesen schützenden Oxidüberzug aufweist, und mit einer Schutzkapsel, die mindestens den den pn-Übergang enthaltenden Teil des Halbleiterkörpsrs umgibt, wobei zwischen dem Halbleiterkörper bzw. der Oxidschicht und der Schutzkapsel ein elektrisch isolierender Trennstoff vorgesehen ist, der gegenüber den Materialien der genannten angrenzenden Teile chemisch inert ist und eine chemische Reaktion zwischen dem Halbleiterkörper und der Schutzkapsel verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennstoff(44) aus Bornitrid oder aus einer Mischung von FeIdspat, durch Luft aufgeschwemmten Ton und Bentonit besteht.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Schutzkapsel (50) ein Epoxidharz enthält.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Schutzkapsel (50) Glas enthält.

4. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Schutzkapsel (50) Blei enthält.

5. Halbleiteranordnung nach einem oder mehre-· ren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Schutzkapsel (50) ein durch Säureanhydride gehärtetes Epoxidharz enthält und das dsr Trennstoff (44) im wesentlichen aus übereinandergeschichteten plättchenförmigen Teilchen aus Bornitrid besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen