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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verkapseln. eines Halbleiterelementes
unter Schutzgas in einem gegen die freie Atmosphäre völlig abgeschlossenen, in einer
zentrisch angeordneten Bohrung einer Muffe vorgesehenen Raum, der mit einer Öffnung
für die Zuführung von Schutzgas versehen ist und dessen Wände durch dieWand der
Bohrung und Stirnflächen von mindestens einem in die Bohrung eingeführten Halter
mit den zusammenzusetzenden Teilen gebildet sind.
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Es ist schon eine Vorrichtung bekannt, bei der in eine zentrale Bohrung
einer Muffe ein Halter eiregeführt wird, auf dem der Glassockel eines Halbleiterelementes
und ein Glasröhrchen gehalten sind, die miteinander durch Hochfrequenzschweißung
verbunden werden sollen. Dafür ist in eine die Bohrung an der Verbindungsstelle
umgebende Nut ein einschleifiger Hochfrequenzschweißring eingelegt. Der für die
Verbindung der zusammenzusetzenden Teile in der zentrischen Bohrung vorgesehene
Raum wird nach dem Einführen des Halters mit den zusammenzusetzenden Teilen durch
eine Stirnfläche dieses Halters abgeschlossen, zwischen der und der Muffe eine O-Ring-Dichtung
eingelegt ist.
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Um Verunreinigungen und Feuchtigkeit aus dem für die Verbindung vorgesehenen
Raum zu entfernen, ist ein Vakuumanschluß vorgesehen. Vor dem Schweißvorgang wird
die gesamte Anlage mit einem unter Druck stehenden Schutzgas gefüllt. Bei den Arbeitsgängen
des Evakuierens und beim anschließenden Einführen des Druckgases muß jeweils die
für den anderen Arbeitsgang vorgesehene Öffnung abgeschlossen werden. Diese Öffnungen
münden weiter nicht unmittelbar in den für das Zusammensetzen der zu verbindenden
Teile vorgesehenen Raum, sondern in eine Verlängerung der sich zu diesem Raum erweiternden
Bohrung. In diese Verlängerung tritt der die zusammenzusetzenden Teile tragende
Halter mit geringem Spiel ein. Es ergeben sich so bei der Evakuierung erhebliche
Strömungswiderstände, die das Evakuieren bis zu einem befriedigenden Unterdruck
zu einer zeitraubenden Angelegenheit werden lassen.
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Außerdem muß nicht nur der eigentliche für das Verbinden der zusammenzusetzenden
Teile vorgesehene Raum, sondern auch die Verlängerung der sich zu diesem erweiternden
Bohrung und der Raum der Öffnung für die Druckgaszufuhr mit evakuiert werden. Dadurch
wird die für das Evakuieren erforderliche Zeit weiter erhöht. Es ist aber auch ganz
grundsätzlich nicht möglich, durch Evakuieren alle Feuchtigkeit und alle für das
Halbleiterelement schädlichen Verunreinigungen zu beseitigen. Auch die anschließende
Füllung des für die Verbindung vorgesehenen Raums mit Druckgas, wozu die zum Evakuieren
benutzte Öffnung abgeschlossen werden muß, ändert nichts daran, daß auch nach dem
Evakuieren noch Feuchtigkeit und Verunreinigungen in diesem Raum vorhanden sein
werden. Um einen genügend hohen Grad von Feuchtigkeits- und Verunreinigungsfreiheit
zu erhalten, wird deshalb das Evakuieren und Füllen mit Druckgas mehrmals zu wiederholen
sein. Dadurch wird der Zeitbedarf für diesen vorbereitenden Arbeitsgang noch weiter
erhöht. Jedenfalls wird mit dieser bekannten Vorrichtung nur eine intermittierende
Arbeitsweise möglich sein, die für die Großserienfertigung völlig ungeeignet ist.
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Es ist auch schon eine andere Vorrichtung bekannt, bei der der Raum
zwischen zwei pfannenförmigen Kapselhälften für die Aufnahme- eines Flächentiansistörs
urimittelbar , vor-""der Verbindung der Gehäuseteile miteinander durch eine Ausspülung
des zwischen ihnen liegenden Raumes mit einem Schutzgas von in der Luft enthaltener
Feuchtigkeit und Verunreinigungen befreit werden soll. Dazu wird das Schutzgas einer
um die zusammenzusetzenden Teile herum angeordneten Ringkammer zugeführt, von der
es durch mehrere, zum Zentrum gerichtete Bohrungen durch einen zur freien Atmosphäre
offenen Ringspalt hindurch in den Raum zwischen den zusammenzusetzenden Teileneingeblasen
wird.
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Zwischen den Einblasströmen bei diesen Bohrungen wird das Schutzgas
in zu den Einblasströmungen entgegengesetzt gerichteten Strömen durch den erwähnten
Ringspalt in die freie Atmosphäre austreten. Die Einblasströme werden dauernd Teilchen
aus der freien Atmosphäre mitreißen und so laufend neue Feuchtigkeit und neue Verunreinigungen
zwischen die zusammenzusetzenden Teile transportieren. Weiter wird es auch an den
Grenzflächen zwischen den gegenläufigen Strömen zu Verwirbelungen kommen, die noch
dazu beitragen, den Einblasstrom mit Feuchtigkeit und Verunreinigungen aufzuladen.
Darüber hinaus werden hier wegen der besonders ungünstigen Strömungsführung sehr
große Schutzgasmengen verbraucht. Schließlich findet das Verbinden der zusammenzusetzenden
Gehäuseteile nicht in einer abgeschlossenen Schutzgasatmosphäre statt. Die Abdichtungsstellen
liegen vielmehr im zur freien Atmosphäre offenen Ringspalt, so daß bis zum Eintreten
der endgültigen Abdichtung bei der Verbindung neuerlich Feuchtigkeit und Verunreinigungen
in das Innere des herzustellenden Gehäuses gelangen können.
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Es ist schließlich schon bekannt, bei der automatisierten Herstellung
von Halbleiterelementen schrittweise weiterrückende Rundtische zu verwenden.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, bei der Großserienfertigung
von Halbleiterelementen ein Verkapseln dieser Elemente unter Schutzgas in einem
abgedichteten Raum durchzuführen, der auf einfache Weise von Feuchtigkeit und Verunreinigungen
frei gemacht und gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gelöst,
daß in der Bohrung der Muffe unter Abdichtung gegen deren Wand an einem Ende ein
Kapselhalter angeordnet und am anderen Ende ein Tragstückhalter für den Sockel des
zu verkapselnden Halbleiterelementes einführbar ist und daß für die Hindurchleitung
eines ständigen Schutzgasstromes die Öffnung für die Gaszuführung und eine weitere
Öffnung für die Gasableitung in den durch die Wand der Bohrung und die Stirnflächen
dieser Halter gebildeten Raum münden.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird zunächst eine vollkommene
Säuberung des gegen die freie Atmosphäre abgeschlossenen Raums für die Vornahme
der Verkapselung des Halbleiterelementes erreicht. Das durch diesen Raum hindurchgeleitete
Schutzgas nimmt alles in ihm ursprünglich vorhanden gewesene Gas und damit auch
jede Feuchtigkeit und alle Verunreinigungen mit sich. Da das Schutzgas durch ein
geschlossenes Leitungssystem zugeführt wird, kann es seinerseits nicht Feuchtigkeit
und Verunreinigungen an irgendeiner Kontaktstelle mit der freien Atmosphäre mitreißen
und in den auszuspülenden Raum hineinführen. Mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung
ist daher ein Grad an Feuchtigkeits-und Verunreinigungsfreiheit zu erreichen, der
durch Evakuieren und anschließende Schutzgasfüllung des Raumes mit Hilfe der bekannten
Vorrichtung nicht erzielbar ist. Das Schutzgas wird also in einem ständigen Strom
durch den Raum für das Zusammensetzen der zu verbindenden Teile hindurchgeleitet.
Die Säuberung erfolgt dabei selbsttätig und erfordert keine eigenen oder zusätzlichen
Handgriffe oder Maßnahmen mehr, wenn einmal nach dem Zusammensetzen der Vorrichtung
für das Verkapseln die Gaszufuhr eingeleitet ist. Das führt zu einer Verbilligung
der Halbleiterelementherstellung, die wegen der kontinuierlichen Arbeitsweise auch
für industrielle Großserienfertigung anwendbar ist. Dennoch bleibt der Verbrauch
an Schutzgas wegen der Kleinheit des durchzuspülenden Raumes in bescheidenen Grenzen,
so daß gegebenenfalls auch mit wertvollen und deshalb teuren Schutzgasen gearbeitet
werden kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Tragstückhalter mit
einer zentrischen Bohrung versehen sein, in die dichtend ein Tragstückfutter eingesetzt
ist, das den Sockel mit dem zu verkapselnden Halbleiterelement trägt. Ebenso kann
eine für das Einführen eines Auswerferstößels vorgesehene zentrische Bohrung des
Kapselhalters durch die in diesen eingesetzte Kapsel luftdicht abgeschlossen sein.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß der auszuspülende Raum besonders klein gehalten
wird. Die zusammenzusetzenden Teile müssen nämlich nicht mehr insgesamt in einen
Schutzgasraum eingebracht werden. Sie tragen vielmehr selbst mit ihren Innenflächen
zur Abdichtung des Schutzgasraumes bei.
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Die Schutzgaszufuhröffnung und die Schutzgasabführöffnung können einander
diametral gegenüberliegend in der Wand der Muffe ausgebildet sein. Dadurch ist ein
besonders guter Ausspüleffekt erreicht.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine ganze Anzahl
von Kapselvorrichtungen in gleichmäßigen Abständen am Umfang einer schritt weise
weiterrückenden Scheibe angeordnet sein, die in der Mitte ein Zentralventil trägt,
an das einzeln absperrbare, für die Gaszuführung zu den Muffen bestimmte Verteilerrohre
angeschlossen sind. Hier wird durch geeignete Ausgestaltung der für die automatisierte
Halbleiterherstellung an sich bekannten schrittweise weiterrückenden Scheibe erreicht,
daß die erfindungsgemäßen Maßnahmen auch bei der Großserienfertigung mit hervorragendem
Wirkungsgrad eingesetzt werden können.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, F
i g. 2 eine perspektivische Ansicht einer kontinuierlich arbeitenden erfindungsgemäßen
Vorrichtung und F i g. 3 teilweise aufgerissen und im Schnitt eine Seitenansicht
der Vorrichtung von F i g. 2,.
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F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Kapselvorrichtung 10,
die sich mit einem Flansch 11 auf einem Träger 12 abstützt. Ein zylindrisches
Teil 13 des Flansches 11 hält eine auf einer Schulter 14 des Teils 13 abgestützte
und unten auf einer Platte 15 aufruhende Muffe 16. In dex Seitenwand der Muffe 16
ist eine Schutzgaszuführung 17 vorgesehen, die mit einem Anschlußstutzen 18 verbunden
ist. Ebenfalls in der Seitenwand, und zwar etwa gegenüber von dem Anschlußstutzen
18 und etwas unterhalb ist, ein Schutzgasauslaß 19 angeordnet, der mit einem weite=
ren, am Teil 13 angebrachten Anschlüßstützeri 20 in Verbindung steht.
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In dem unteren Teil der Bohrung in der Muffe 16 ist ein Kapselhalter
21 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet, während diesem gegenüber in den oberen
Teil der Bohrung in der Muffe 16 ein Tragstüokhalter 22 eingepaßt ist.
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Der Kapselhalter 21 ist mit einer zentrischen Längsbohrung
23 versehen, die oben eine Ausnehmung zur Aufnahme einer Kapsel
25 bildet,, die sich ohne weiteres von unten her hochstoßen und so auswechseln.
läßt. Der Kapselhalter 21 besitzt außen an seinem unteren Teil eine Schulter zur
Aufnahme einer Unterlagscheibe 26. Zwischen diese Unterlagscheibe 26 und die am
Boden der Muffe 16 angeordnete Platte 15 ist eine Schraubenfeder
27 eingesetzt.
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Der Tragstückhalter 22 hat ebenfalls eine zentrisch verlaufende Bohrung
zur Aufnahme eines darin e'ingepaßten Tragstückfutters 28. Zwischen dem Futter
und dem Tragstückhalter 22 ist eine Feder 29 angeordnet. Am Umfang des Tragstückhalters
22 ist ein ringförmiger Durchlaß 30 angeordnet, der an einem Punkt mit einer
Öffnung 31 in Verbindung steht, die am inneren oder unteren Ende des Tragstückhalters
22 nach außen mündet. Der Durchlaß 30 steht normalerweise mit der in der Muffe 16
ausgebildeten Schutzgaszuführung 17 in Verbindung. Im Inneren der Muffe 22
ist weiter eine Blattfeder 32 angeordnet, die zum Festklemmen oder Einspannen einer
Zuleitung 34 eines unten an dem Tragstückhalter 22 gehaltenen Sockels
33 mit dem zu verkapselnden Halbleiterelement 35 dient.
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Beim Betrieb der Kapselvorrichtung -zum Einkapseln eines Halbleiterelementes
in einer Kapsel wird zuerst die Kapsel 25 in dieAusnehmung 24 im oberen Ende des
in der Muffe 16 angeordneten Kapselhalters 21 dichtend eingesetzt, und zwar,
wie F i g. 1 zeigt, mit dem offenen Ende der Kapsel nach oben. Der Sockel
33 mit dem Halbleiterelement wird in den unteren Teil des Tragstückhalters
22 eingesetzt.
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Das freie Ende der Zuleitung 34 wird in die Bohrung in dem
vorher aus der Muffe 16 entfernten Tragstückhalter 22 ein- und hochgeführt und durch
die Blattfeder 32 festgeklemmt oder -gespannt.
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Der Tragstückhalter 22 mit dem Sockel 33 wird in die
Bohrung in der Muffe 16 in -Richtung des KapselhalteTs 21 eingesetzt, in den die
Kapsel 25 bereits eingebracht ist. Das Halbleiterelement befindet sich so gegenüber
der Kapsel 25. Dann wird sauberes und trockenes Gas, beispielsweise Sauerstoff,
Stickstoff oder Luft, durch den- Anschlußstutzen 18 in die Schutzgaszuführung 17
eingelassen und von dort aus durch den Durchlaß 30 und eine Öffnung
31 in den Raum eingeführt, der durch die Wandung der Bohrung in der Muffe
16, die untere Endfläche des Tragstückhalters 22 und den Sockel 33 sowie die obere
Endfläche des Kapselhalters 21 und die Kapsel 25 begrenzt wird. Der so gebildete
dichte Raum wird durch das Schutzgas ausgespült und von Verunreinigungen und Feuchtigkeit
befreit. Durch ständige Schutzgaszufuhr wird der Raum dauernd von reinem Schutzgas
durchströmt.
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In. diesem Zustand wird der Tragsiückhalter 22 gegen die Wirkung einer
Feder 36 nach unten gedrückt, um das Halbleiterelement 35 auf dem vom Halter 22
an Ort und Stelle gehaltenen Sockel 33 in
die von dem Kapselhalter
21 getragene Kapsel 25
einzuführen. Dabei wird der Sockel 33 in die
Öffnung der Kapsel 25 eingepreßt. Ein derartiges Verschließen kann nach einem beliebigen
-Verfahren zum hermetischen Abdichten durch Warzenschweißen, Kaltschweißen oder
Kaltföten erfolgen.
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Wie. im vorhergehenden dargelegt, ist die Kapselvorrichtung nach der
Erfindung so ausgelegt, daß eine von dem Kapselhalter 21 getragene Kapsel und eilt
von. dem Halter 22 getragener Sockel mit einem auf ihm angebrachten Halbleiterelement
zum Säubern und Verschließen in einem ständig fließenden Strom von sauberem und
trockenem Gas in der Muffe 16 angeordnet sind. Es ist offensichtlich, daß sich der
Einkapselvorgang mit dieser Kapselvorrichtung leicht und ohne Störungen abwickeln
läßt und gleichzeitig Halbleitervorrichtungen in. großer Menge hergestellt weiden
können.
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Für Großserienferiigung wird die Kapselvorrichtung nach der Erfindung
vorzugsweise in eine kontinuierlich arbeitende automatische Kapsehnaschine eingebaut,
wie sie in F i.g. 2 und 3 gezeigt ist. Die Maschine besitzt einen schrittweise rotierend
'vorrückenden Tisch 37,. an dessen Umlang eine Vielzahl Kapselvorrichtungen nach
der Erfindung in gleichem Abstand voneinander angeordnet .und jeweils mittels des
Flansches 11 des Teils 13 der Kapselvorrichtung am Tisch befestigt sind. Oberhalb
des, Tisches 37 ist eine Gaszuführungsvorrichtung mit einem, Zentralventil 45 angeordnet.
Dieses Ventil ist an Verteilerrohre 38 angeschlossen, die jeweils mit dem Anschlußstutzen
18 der dazugehörigen Kapselvorrichtung verbunden sind und diese mit sauberere und
trockenem Gas versorgen.
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Beim Rotieren des Drehtisches 37 wird an der Aufgabestation automatisch
oder von Hand eine Kapsel in den Kapselhalter 21 in der Muffe 16 jeder einzelnen
Kapselvorrichtung -eingeführt, und dann wird ein Halter 22, der einen Sockel hält,
an dem ein Halbleiterelement befestigt ist, in die Muffe 16 eingesetzt. Nun werden
Kapsel, Tragfuß und Halbleiterelement bis zum Erreichen der Verschließstation durch
von dem Mittelventil 45 über die Verteilerrohre 38 zugeführtes Schutzgas gründlich
gereinigt. Gegebenenfalls kann das Reinigungssystem auch so ausgelegt werden, daß
in einer ersten Kopfstellung zunächst Sauerstoff zum Erhalt oxydierter Oberflächen
zugeführt und in einer weiteren Kopfstellung auf gereinigte und getrocknete Luft
umgeschaltet wird.
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An der Verschließstation, an der noch. Gas zugeführt wird, drückt
eine Druckstange 41 einer mechanischen, pneumatischen Öldruck- oder anderen geeigneten
Preßvorrichtung 40, die auf einem den Drehtisch 37 überspannenden Rahmen
39 angebracht ist, das obere Ende des Tragstückhalters 22 der Kapselvorrichtung
10 herunter, um. dadurch den Sockel 33 und die Kapsel 25 hermetisch zu verbinden,
An der nächsten Station bewegt sich ein von einem Nocken 42 betätigter Stößel 43
durch die Bohrung 23 in dem Kapselhalter 21 der Kapselvorrichtung 10 nach oben,
um die verkapselte Einheit anzuheben und ihre automatische oder von Hand vorgenommene
Entnahme aus der Maschine zu ermöglichen. Die entnommene Einheit wird von einem
Teller 44
aufgenommen. Dann wird ein neuer Sockel mit Halbleiterelement an
dem Tragstückhalter 22 angebracht und dieser wieder in die Muffe
10 eingesetzt.
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Die dargestellte Kapselmaschine hat je ein Paar Aufgabeköpfe, Verschließ-Preßköpfe
und Entladeköpfe in symmetrischer Anordnung und ist so ausgebildet, daß sie den
Verschluß während einer halben Umdrehung des Drehtisches fertigstellt. Beim Betrieb
geben zwei Bedienungsleute, die sich gegenüberstehen, nacheinander die zu bearbeitenden
Teile der Maschine auf und entnehmen die fertig verkapselten Einheiten.