DE1809716A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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DE1809716A1
DE1809716A1 DE19681809716 DE1809716A DE1809716A1 DE 1809716 A1 DE1809716 A1 DE 1809716A1 DE 19681809716 DE19681809716 DE 19681809716 DE 1809716 A DE1809716 A DE 1809716A DE 1809716 A1 DE1809716 A1 DE 1809716A1
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Jacques Rodet
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Description

PHI.2994 dJo/¥JH.
öipi-ing. EH!CH π. WALTHER
^: pHN- 2994-
Anmeldung vom, 18#
"Halbleitervorrichtung"
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, insbesondere einen Hochleistungstransistör für sehr hohe Frequenzen in einer geschlossenen Hülle hoher VXrmebestlndigkeit und ein Verfahren sur Herstellung derselben»
Bestisuste Halbleitervorrichtungen z.B. Hochleistungstransistoren, die bei sehr hohen Free.uenien wirksam sein soll, Müssen in einem Gehäuse oder einem Blook untergebracht werden, das (der) besondere Anforderungen erfüllen soll. Diese Vorrichtungen dissipieren eine verhlltnismlssig grosse Wlrmemenge und die Hülle «oll eine
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gute Abfuhr dieser Wärme ermöglichen. Die Wirkung bei hohen Frequenzen erfordert eine besondere Bauart der Vorrichtung selber, die diesen BetriebsverhÄltnissen angepasst ist. Der Kollektor eines Transistors beansprucht z.B. nahezu das ganze Volumen des den Transistor enthaltenden Kristallen und durch diesen Kollektor soll eine möglichst groese Menge der Wärme abgeführt werden. Der Kollektor muss daher in innigem,' thermischem Kontakt mit einem Teil der Hülle stehen, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Es ist weiterhin notwendig möglichst geringe Impedanzen der elektrischen Verbindung zwischen der Halbleitervorrichtung und den lusseren Vorrichtungen zu haben, damit die elektrischen Verluste auf ein Mindestaass besohrlnkt werden. Daher müssen die Elektroden zur Befestigung der durch die HQlIe der Halbleitervorrichtung hingeführten Verbindungsdrlhte eine sehr niedrige Reaktanz und eine hinreichende Leitfähigkeit aufweisen, so dass ihre Abmessungen verhKltnisaafissig gross sein müssen und sehr gut elektrisch leitendes Material verwendet werden soll» wShrend das Material der Hülle ausgezeichnete Isolationseigenschaften aufweisen soll·
Zu» Irzielen der maximalen Betriebssicherheit soll die HQIl* einer Halbleitervorrichtung, z.B. eines Transistors, noch wei-
ti
tere Anforderungen erfüllen, die sich auf den üblichen Schutz elektrisoher Vorrichtungen beziehenι die HQlIe soll die Vorrichtung vor jeder Verschmutzung schützen; die mechanische Festigkeit der Hülle •oll derart sein, da·· die Vorrichtung stossfest ist; die Hülle soll weder 41· Vorrichtung selber noch die lusseren Elemente verschmutzen, wlhrend all· eigenschaften der Hüll· auch bei hohen Temperaturen von t.B» »ehr al· 2QO*C fdr Verwendung in Raumfahrzeugen stabil nnin aol-
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lan. Ausserden soll die Hülle minimale Aussenabmessungen aufweisen.
Die bisher verwendeten Hüllen sur Aufnahme τοη Hochleistungetransistoren für aehr hohe Frequenzen erfüllen nicht vollkommen alle vorerwähnten Anforderungen.
Bestimmte Hüllen werden duroh Metalltrlger mit eines mit Gewinde versehenen Stab für aine schnelle Wtrmeabfuhr gebildet, während das Ganze fest an einer Stütse oder einem Radiator befestigt wird und die Vorrichtung duroh eine einfache« gegossene Verkleidung aus thermo-plaatisohem oder thermo-erhärtendem Material abgeschirmt wirdι die jedoch keinen vollkommenen oder dauerhaften Verschluss ergibt und den vorerwlhnten hohen Temperaturen nicht widerstandsfähig ist. Wenn die Abschirmung durch eine Hülle aus wärmebeständigem Haterial wie Aluminium oder Glucin gebildet wird, bereiten die verschiedenen Durchführungen der Verbindungsleitungen in besug auf die notwendige Isolierung Schwierigkeiten und bringen die Gefahr von Ableitung mit sich·
Anderen Hülle dea Glaa-Metall- oder Glas-Keramik-Metall-Typs sind iwax hitsebeständig und ergeben die erwünschte Abdichtung, aber, sie haben keine massiven feilen, die in innig·»» thermischem '■
i Kontakt mit der Vorrichtung stehen and die bei der Verbindung und '· Festklemmung der Vorrichtung an einem Sadiator β.B. einer gedrückten Verdrahtung eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen.
Sie Hülle der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung erfüllt die vorerwähnten Anforderungen.
fach der Erfindung wird die Halbleitervorrichtung hoher Leistung für sehr hohe Frequensen, die in einer geschlossenen Hülle hoher Temperaturbeständigkeit mit einem Träger sur Wärmeabfuhr und/
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oder but Befestigung der Vorrichtung auf einer W&rmedissipationsvorrichtung untergebracht ist, welche Hülle mit einer elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Stütze in inniger, thermischer Berührung mit dem TrSger befestigt ist, welche Stütze eine flache Oberfliehe aufweist, auf der der Kristall der Vorrichtung befestigt'ist und die Srtlioh mit einer dünnen Metallschicht in gegeneinander isolierten Gebieten übersogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein keramischer Ring, der durch einen Deckel abgeschlossen wird, auf der Stütze befestigt wird, so dass ein geschlossener Raum gebildet wird, in dem die Vorrichtung untergebracht wird, wobei jedes der erwlhnten Gebiete sich auf der Innen- und Aussenseite dieses Ringes befindet, wobei flache Leiter hoher elektrischer Leitfähigkeit auf der Aussenseite des erwlhnten Raumes in jedem der Gebiete festgelötet sind, welche Gebiete je für sich elektrisch mit einer der Zonen des Kristalles innerhalb des erwlhnten Raumes verbunden sind»
In einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung bestehen der Trlger und die Leiter aus Kupfer, die Stütze au· Berylliumoxyd, der Ring aus Aluminiumoxyd, wlhrend die Abdichtung zwischen Ring und Stütze durch eine Glas- oder Email-Verbindung erzielt wird. Die partielle Verkleidung der Stütze besteht aus einem harten, hitzebeständigen Metall z.B« Molybdln-Mangan, das ' vorzugsweise vernickelt oder vergoldet ist, wlhrend der Deckel aus Aluminiumoxid besteht und in bekannter Veite an dem Ring befestigt wird, so dass «ine gute Abdichtung erhalten wird.
Für die untergebrachte Halbleitervorrichtung bildet diese Hülle nach der Erfindung ein vorzügliches wlrmeabfuhrmittel infolge des galvanischen, grossen Kontaktes einerseits zwischen der die
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grSsste Wärmemenge dissipierenden Oberfliehe der Vorrichtung und der .Stütze und andererseits zwischen der Stütze und den Metallträger. Die Stütze «it hoher Wärmeleitfähigkeit kann eine sehr geringe Dicke aufweisen, so das· der thermische Kreis einen sehr geringen Widerstand aufweist. Sie Impedanz der elektrischen Verbindungen ist niedrig infolge der geringen Länge der Verbindungsdrähte, des geringen Querschnittes und gegebenenfalls der grossen Anzahl, ausserdem haben die metallisierten Gebiete und die flachen.Leiter eine grosse Oberfläche, was für die sehr hohen Frequenzen notwendig ist.
Die durch die Hülle nach der Erfindung ersielte Abdichtung ist zweckdienlich! wenn die LSt- und Abdichtungsmaterialien richtig gewählt werden. Die Lötverbindungen sind wenig zahlreich und es ergibt sich eine gute mechanische Abschirmung. Alle verwendeten Materialien sind hinreichend hitzebeständig, so dass alle vorerwähnten Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen beibehalten werden können, vorausgesetzt, dass die Schmelztemperaturen der LStmaterialien und der Abdichtungsstoffe richtig gewählt werden. Diese Temperaturen können z.B. zwischen 800*C und 35O*C liegen. Die Temperatnrgrenze für Aufbewahrung und Verwendung der Vorrichtung wird dabei nicht mehr durch die Hülle sondern durch die zuletzt durchgeführt« Abdichtung und durch die Vorrichtung an sich bedingt. Diese Temperatur ist höher als die bei den bisher bekannten Hüllen zulässige Temperatur bei Hochleistungstraneistören für sehr hohe Frequenzen.
Venn die verwendeten Materialien bei den weiteren Prozessen eine Gefahr mit sich bringen, wie z.l. das Berylliuaoxyd, kann die Hülle mit einem Abschirmlack Überzogen werden oder es kann ein formbare· Material mit gleiohem Effekt durch Giessen angebracht werden»
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Sie Erfindung wird nachstehend an Band beiliegender Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Pig. 1 einen Schnitt längs der Linie A-A in Pig. 2 durch einen Transistor in einer Hülle nach der Erfindung.
Pig. 2 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 1 durch den gleichen Transistor.
Pig. 3 teilweise einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. durch einen weiteren Transistor nach der Erfindung.
Pig. 4 eine Draufsicht auf diesen Transistor ohne Deckel.
Die Hülle nach den Fig. 1 und 2 enthalt einen Metallträger 1 vorzugsweise aus Kupfer mit einem Kopf 2, dessen obere Seite flach ist, und mit einem mit Gewinde versehenen Stab 13 zur Befestigung der Vorrichtung an einem Radiator oder einer anderen Stütze. Der Kopf 2 hat vorzugsweise eine sechseckige Gestalt, so dass die Befestigung erleichtert wird· Mit dem Träger 1 wird in inniger, thermischer Berührung eine scheibenförmige Stutze 3 aus einem elektrisch isolierenden Material guter thermischer Leitfähigkeit z.B. Berylliumoxyd befestigt. Die Scheibe wird vorzugsweise durch Hartlot auf dem Träger angebracht; zu diesem Zweck ist die Scheibe an ihrer flachen, der Stütze gegenüber liegenden Oberfläche metallisiert, wobei ein Hartlot 4 derart zwischengefügt,wird, dass optimaler Wärmeaustausch zwischen den zwei Teilen erzielt wird.
Auf der anderen Fliehe der Scheibe 3 wird eine Metallschicht in Form gesendeter Gebiete 5» 6, 7 und 8 angebracht; in diesem Beispiel sind vier Gebiete vorgesehen. Eines dieser Gebiete (6) hat in der Mitte der Scheibe eine hinreichend grosse Oberfläche zur Aufnah»· de» Halbleiterkristalles, des in geeigneter Weise
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werden kann. Die Gebiete 5» 6, 7 und θ sind z.B. mit Gold überzogen; der Halbleiterkristall kann ein Silicium-Einkristall sein und er kann durch Gold- oder Gold-Antimon-Lot befestigt werden. Die Metallgebiete sollen chemische, mechanische und thermisch· Eigenschaften aufweisen, die den der Hülle gestellten Anforderungen entsprechen. Eine vernickelte MoIybdSn-Mangan-Schicht bildet ein Beispiel einer inerten, harten, hitzebestSndigen Schicht.
Die Gebiete 51 6, 7 und 8, die unter Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Raumes auf der Scheibe und der notwendigen Isolierung eine maximale OberflSohe aufweisen sollen, erstrecken sich je von der Zentralzone der Scheibe ab zum Umfang, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. Durch die Lötverbindung des Kri3talles steht eine Zone des Transistors, gewöhnlich die Kollektorzone, in elektrischer und thermischer Berührung mit dem Gebiet 6. Die anderen Zonen, die Emitter- und Basiszonen,·werden durch Drähte 14 mit den anderen Gebieten 5, 7 und θ verbunden, wobei die Emitterzone vorzugsweise mit den zwei Gebieten 5 und 7 verbunden wird, die diametral einander gegentiber liegen.
Ein Ring 17 aus elektrisch hoch isolierendem, hitzebestfindigem Material wird auf der Scheibe 3 auf der mit den Metallgebieten 5, 6, 7 und θ versehenen Oberfliehe befestigt. Der Ring 17 wird vorzugsweise durch Schmelzglas 9 an der Seheibe 3 befestigt, wodurch eine gute Abdichtung sowohl mit den Metallgebieten al· auch Bit den nicht metallisierten Teilen der Scheibe erhalten wird. Der Ring 17 hat einen solchen Querschnitt und eine solche Dicke, dass der Kristall 18 thnlich wie die Verbindungedrttht· U und deren Lötstellen innerhalb de· Ringes liegen, wXhrend die auseerhalb des Ring·· lie-
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genden Teile der Metallgebiete eine hinreichend grosse OberflMche aufweisen, um die flachen Metalleiter 11, 12, 15 und 16 darauf festzulöten, die je aus der Scheibe 3 und dem Kopf 2 herausragen. Die flachen Leiter bestehen vorzugsweise aus vernickeltem und vergoldetem Kupfer. , · _
Auf dem Ring 17 wird ein Deckel 19 durch Hartlot 10 festgelötet. Der Deckel besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Ring 17, z*B. Aluminiumoxyd· Der Deckel kann auoh gemeinsam nit dem Ring ein Ganzes bilden. Das Ganze kann noch mit einem nioht dargestellten Schutzlack Überzogen werden oder in gewissen FSIlen kann eine thermo-erhärtende Verkleidung durch dessen angebracht werden.
Die Fig. 5 und 4, die ein weiteres Beispiel, eines in einer Hülle nach der Erfindung untergebrachten Transistors darstellen, zeigen die gleichen Elemente wie die Fig. 1 und 2. Die ' Hülle enthXlt einen Metallträger 20 mit einem Kopf, auf den zwei Gebiete 22 zum Erleichtern der Festklemmung angebracht sind, und mit eine* mit Gewinde versehenen Stab 21. Auf dem Träger 20 wird eine Stütze 24 unter Zwischenfügung eines Verbindungsmetallee 23 angebracht. Die Stütze 24 aus elektrisch isolierendem Material ist teilweise in gesonderten Gebieten 25 metallisiert, auf einem derselben ein Halbleiterkristall 31 festgelötet wird und weiterhin elektrisch durch DrShte 32 mit den anderen Gebieten verbunden ist. Ein isolierender Ring 29 wird auf der Stütze 24 unter Zwisohenfügung von Sohmelzglas befestigt, wthrend flache Leiter 26, 27, 2Θ an den Teilen der Metallgebiete ausserhalb des Ringes 29 festgelBtet werden* Ein Metalldeckel 53/der in Flg. 4 nicht dargestellt
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ist, Bchlieest den Raum ab, der durch den Ring 29 gebildet wird, wo-■ bei die Abdichtung durch ein Verbindungemetall 34 erzielt wird.
Die bei dem Transietor nach den Fig. 3 und 4 verwendeten Materialien können ähnlich denen des vorhergehenden Beispiels sein, mit Ausnahme des Deckels, der hier vorzugsweise aus einer Eisen-Hickel-Kobalt-Legierung besteht, die unter dem Handelsnamen von "Dilver P1", bekannt iet und die vorzugsweise mit einer Gold-Zinn-Legierung an der "LStfllche und mit einer Goldschicht auf der anderen Fliehe überzogen ist.
Der in Fig. 3 dargestellte Deckel besitzt einen kleinen Zentrierflansch, aber dieser Deckel kann selbstverständlich auch flach sein oder ein anderes Profil aufweisen, das in besonderen FSllen vorteilhafter sein kann.
Die vorstehend beschriebenen Beispiele beziehen sich auf Transistoren »it einem Siliciumkristall, aber selbstverständlich lassen sieh andere Halbleitervorrichtungen, andere Kristalle wie Germanium-und Galliumarsenidkristalle, usw. nach der Erfindung in einer abgedichteten Hülle unterbringen. Weiterhin ist dl« Anzahl von Elektroden der Vorrichtung nicht auf 3 oder 4 besohrfnkt, wie in den beschriebenen Beispielen. Bei einer Diode kann-diese Anzahl 2 und bei verwickeiteren Vorrichtungen 5 oder mehr betragen·
Aus den zwei vorstehend beschriebenen Beispielen wird einleuchten, dass die erforderlich· eigenschaften einer Hochleistungs-Halbleitervorrichtung für sehr hohe Frequensen in hohe» Mas·· erzielt werden. Die disaipierte Virae wird zweckdienlich abgeführt von der zu diesem Zweok geeignetsten Oberfllche des Kristall·· d.h. der JCollektorzene, während der WtaMabfuhrkr·!·
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minimal ist. Die Impedanz der elektrischen Verbindungen ist sehr niedrig und die isolierung wird durch Materialien hoher Isolierleistung erhalten. Die Abdichtung durch das Löten und Festschmelzen ist besser als bei den entsprechenden, bekannten Torrichtungen, wo diese durch thermo-plastisches oder thermo-erhärtendes Material erhalten wird. Dies gilt auch für die mechanische Festigkeit, die Hitzebeständigkeit und die chemische Festigkeit.
Beispielsweise wird nachstehend ein Verfahren zur Her» stellung eines Transistors in einer abgedichteten Hülle für eine Vorrichtung nach der Erfindung (siehe Flg. 1) beschrieben.
Sie unterschiedlichen Bestandteile werden vorbereitet! •in Träger aus Kupfer (1 in Fig. 1) wird entfettet und geätzt. Ein· Berylliumoxydscheibe (3) wird auf einer Oberfläche vollständig metallisiert und auf der anderen Oberfläche in den Gebieten 5, 6, 7 und β, worauf die Molybdln-Mang&n-Sehichten mit Nickel und Gold Oberzogen werden· Ein Aluminiumring 17 wird auch mit einer Molybdln-Mangan-Schicht überzogen und dann auf einer der Oberflächen vernickelt, worauf auf der anderen flachen Oberfläche Glas angebracht und gehärtet wird. Ein Aluminiumdeckel 19 wird auf gleiche Weise metallisiert und dann Bit einer Nickel- und Goldschicht übersogen. Kupferstreifen 11, 1*2, 1$ und 16 werden entfettet und geltat.
Der vollständige Träger wird durch Löten und die Leiter 11, 12,'15.und 16 werden durch lupf©r»Silberlot bei einer Temperatur von »ehr al© 600*C auf ier Stütze 3 befestigtB während der HiJBg 17 turoh Schmilz®«, tee angebrachtes! Glaees fest ge schmolzen vlvd· 11··· Bearbeitungen werden vorteilhafterweise gleichseitig durchgeführt, %u welche» Zweck d*s Lot eat das Seiiaelüsglso i>s-scöS
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gewählt werden.
Der Kristall 18 wird darauf auf der Stütze befestigt. Wenn die Torrichtung aus einen Silicium-Einkristall besteht, erfolgt das FestlSten durch Formierung eines Gold-Silicium-Eutektikums bei etwa 45O*C. Zum Erleichtern dieses L8tvorgängeβ ist es Yorteilhaft eine Goldfolie oder eine Gold-Antimon-Polie zwischenfugen. Die Basis- und Emitterverbindungen werden dann durch DrIhte angebracht, die durch Thermokompression oder durch Ultrasahallschwingungen befestigt werden. Nach Vaschen und Spülen der Torrichtung wird der Deckel mittels eines Gold-Zinn-Eutektikums bei einer Temperatur von 300 bis 35O-(J angebracht. Die Torrichtung kann darauf entsprechend der beabsichtigten Verwendung abgefertigt werden x.B. durch Vernickeln oder Vergolden des Trägers, Verkleidung mit einem Schutslack, Giessen eines Schutzharxes oder durch eine bekannte andere Bearbeitung.
Alle vorerwähnte Prozesse lassen sich durch bekannte Techniken durchführen und bei dem beschriebenen Terfahren treten keine besonderen Schwierigkelten auf in bezug auf die üblichen Behandlungen bei der Montage und der Abschirmung der Halbleiter- : vorrichtungen.
Ein in einer Hülle untergebrachter Transistor kann eine Hennleistung von 25 W bei 400 MHs oder sogar 50 V bei 400 MHs
und eine maximale Spitzendissipation von 50 V aufweisen· Sie Auf-
* ■
bewahrungsteaperatur darf 200*C übersteigen.
Innerhalb des Rahmans der vorliegenden Erfindung lassen sich durch Anwendung anderer, äquivalenter technischer Mittel weitere Abarten ausbilden.
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Claims (3)

PHN.2994 Patentansprüche^
1. Halbleitervorrichtung, insbesondere Hochleistungstransistor für sehr hohe Frequenzen in einer hermetisch geschlossenen Hülle mit hoher Temperaturbestfindigkeit, die einen W&rmedissipierenden Träger, der auch als Befestigungemittel der Vorrichtung an einem wKrmedissipierenden Organ dienen kann, und eine elektrisch isolierte, thermisch leitende Stütze enthSlt, die in innigem, thermischem Kontakt auf den Träger befestigt ist und eine flache OberflSche aufweist, auf der der Kristall der Vorrichtung befestigt wird und die örtlich mit einer dünnen Metallschicht in gesonderten Gebieten überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch einen Deckel geschlossener keramischer Ring auf der Stütze derart befestigt wird, dass ein die Vorrichtung enthaltender, geschlossener Raum erhalten wird, wobei jedes der Gebiete eich innerhalb und ausserhalb des Ringes befindet und flache elektrische Leiter auf der Äussenseite des Raumes an jedem der Gebiete festgelötet sind, welche Gebiete je elektrisch mit einer der Zonen des Kristalles innerhalb des Raumes verbunden sind.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trlger und die Leiter aus Kupfer, die Stütze aus Berylliumoxyd, der Ring aus Aluminiumoxyd bestehen, während die Abdichtung zwischen Ring und Stütze durch eine Glas- oder Saal1verbindung erhalten wird.-
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Verkleidung der Stütz· aus einem harten, hitzebestlndigen Metall z.B. Molybdän-Mangan besteht,, das vorzugsweise vernickelt oder vergoldet wird, während der Deckel aus AluminiUBOxyd besteht und in bekannter Weise an dem Ring be-
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festigt wird.
Leerseite
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