DE2611161A1 - Verfahren zur herstellung einer halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer halbleitervorrichtung

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Description

PATENTANWÄLTE
DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN
DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT 2611161
Mönchen Hamburg
2000 HAMBURG 50, 15· März KDNIGSTRASSE 28 TELEFON : 381233,-TELEGRAMME: KARPATENT TELEX: 212979 KARP D
W.26957/76 12/Hh
Westinghouse Brake and Signal Company Limited.
London (England)
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung.
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen, und insbesondere auf eingekapselte Halbleitervorrichtungen, die dadurch hergestellt werden, daß im Verlauf der Einkapselung ein Halbleiterelement zwischen Kontaktflächen festgeklemmt wird.
Es ist bekannt, eine Halbleitervorrichtung dadurch herzustellen, daß eine Scheibe oder ein Plättchen aus Halbleitermaterial derart behandelt bzw. bearbeitet wird, daß ein Halbleiterelement erzeugt wird, welches einen oder mehrere Halbleiterübergänge sowie stromführende Elektroden an gegenüberliegenden Flächen der Scheibe oder des Plättchens aufweist. Kontakt mit diesen Elektroden kann dadurch gebildet werden, daß Verbindungen bzw. Leiter an sie angelötet werden,
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BANK: DEUTSCHE BANK AG, HAMBURG (BLZ 2007000O)1KONTO NR. 65/18823 - POSTSCHECK: HAMBURG 142846-205
Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch eine andere Technik. Diese andere bekannte Technik umfaßt das Anordnen des Halbleiterelementes zwischen Metallscheiben oder Metallteilen irgendeiner anderen geeigneten Gestalt, und das Anlegen von Druckkräften, beispielsweise mittels Federn. Auf diese Welse werden guter elektrischer Kontakt und Wärmekontakt mit dem Halbleiterelement hergestellt. Die zusammengedrückte Sandwichanordnung des Halbleiterelementes, der metallenen Kontakte und der Federn wird in einem Gehäuse angeordnet und in dem Gehäuse eingeschlossen, um auf diese Weise eine fertiggestellte und gebrauchsbereite Halbleitervorrichtung zu schaffen.
Bei der bekannten Einkapselung von Halbleiterelementen besteht ein Problem darin, daß die Federdruckkräfte so geregelt werden müssen, daß sie innerhalb eines relativ kleinen Bereiches liegen. Wenn die Federkraft zu gering ist, ergibt sich schlechter elektrischer Kontakt und schlechter Wärmekontakt mit dem Halbleiterelement. Das Vorhandensein übermäßiger Federkraft ist jedoch in gleicher Weise unerwünscht. Bisher wurde versucht, die Anforderung hinsichtlich der Schaffung genauer Druckkräfte dadurch zu erfüllen, daß gewährleistet wurde, daß die Bauteile, welche das'eingekapselte Gebilde bilden, sehr genaue Abmessungen haben. Wenn nun sehr genaue Abmessungen dieser Bauteile gewährleistet sein müssen, ergibt sich eine beträchtliche Erhöhung der Schwierigkeiten und der Kosten der Herstellung eingekapselter Halbleitervorrichtungen.
Die Erfindung bezweckt, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem eine Lösung für das genannte Problem geschaffen wird.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung geschaffen. Die Halbleitervorrichtung ist in Form eines eingekapselten Halbleiterelementes vorhanden, und das Halbleiterelement ist mit Kontaktteilen und mit einem federnd zusammendrückbaren Teil in einem Stapel angeordnet. Der Stapel wird innerhalb von und zwischen
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zwei Teilen eines Einkapselungsgehäuses zusammengedrückt. Das Verfahren umfaßt das Anordnen eines ersten zusätzlichen Bauteils in dem Stapel, wobei dieser Bauteil sich unter einer Druckkraft plastisch verformen kann, die größer als die Druckkraft ist, die erforderlich ist, um den federnd verformbaren Teil flachzulegen, das Vorsehen eines zweiten zusätzlichen Bauteiles einer unveränderlichen vorbestimmten Dicke, das Anordnen des Stapels aus Halbleiterelement, Kontaktteilen, federnd zusanimendrückbarem Teil und aus den beiden zusätzlichen Bauteilen in dem und zwischen den beiden Teilen des Einkapselungsgehäuses, und das Zusammenbringen der beiden Gehäuseteile in ihre Stellungen entsprechend einer fertiggestellten Halbleitervorrichtung, wodurch der Stapel zusammengedrückt wird, der federnd zusammendrückbare Teil flachgelegt und der erste zusätzliche Bauteil in gewissem Ausmaß plastisch verformt wird. Danach werden die beiden Gehäuseteile voneinander getrennt und der zweite zusätzliche Bauteil wird entfernt. Schließlich werden die beiden Gehäuseteile wiederum rund um den Stapel zusammengebracht und aneinander festgelegt derart, daß der Stapel so zusammengedrückt ist, daß der elastisch zusammendrückbare Teil teilweise flachgelegt ist und eine Druckkraft auf den Stapel ausübt, die innerhalb eines vorbestimmten Bereiches von Druckkräften liegt. Die Richtigkeit dieser , Druckkraft ist bestimmt durch die Dicke des ersten zusätzlichen Bauteiles, nachdem dieser während des anfänglichen Zusämmendrückens des Stapels durch plastische Verformung dauerhaft dünner gemacht worden ist.
Der erste zusätzliche Bauteil kann eine lüfterscheibenartige Scheibe sein, die eine Metallscheibe ist mit einem gezahnten Umfang, wobei die durch die Verzahnungen gebildeten Segmente des Umfangs relativ zur Ebene der Scheibe verdreht sind.
Der erste zusätzliche Bauteil kann alternativ eine wellige Scheibe sein, die eine Metallscheibe ist, die Um-
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fangswellungen aufweist.
Der federnd zusanimendrückbare Teil kann eine Federscheibe, beispielsweise eine Belleville-Scheibe sein. Die Erfindung unifaßt auch eine gemäß dem Verfahren hergestellte Halbleitervorrichtung.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Erfindung beispielsweise erläutert.
Fig. 1 ist eine senkrechte Schnittansicht einer
Ausführungsform einer eingekapselten Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung. Fig. 2 ist eine schaubildliche" Ansicht einer ersten Ausführungsform des ersten zusätzlichen Bauteils gemäß der Erfindung.
Fig. 3 ist eine der Fig. 2 analoge Ansicht einer zweiten Ausführungsform des ersten zusätzlichen Bauteils gemäß der Erfindung. Fig. 4 ist eine Draufsicht der Ausführung gemäß Fig. 3.
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung einer Kurve, welche das Verhältnis von angelegter Druckkraft zu Verformung wiedergibt.
Gemäß Fig. 1 weist eine eingekapselte Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung einen ersten Gehäuseteil 1 und einen zweiten Gehäuseteil 2 auf. Der Gehäuseteil 1 hat eine Endkappe 3 und der Gehäuseteil 2 hat einen mit Gewinde versehenen Halte- oder Anbringungszapfen 4. Der Gehäuseteil 1 ist mit einem Flansch 5 gebildet, der über einen Ring 6 an den unteren Gehäuseteil 2 angeschweißt werden kann.
Der untere Gehäuseteil 2 ist mit einer nach oben stehen·*- den Plattform oder Auflagefläche 7 versehen, welche den untersten Teil eines Stapels von Bauteilen darstellt, die bei fertiggestellter Halbleitervorrichtung durch die Gehäuseteile 1 und 2 eingekapselt sind. Auf der Oberseite der Plattform 7 befindet sich ein Halbleiterelement 8. Das Halbleiterelement 8 steht mit einem Kontaktteil 9 in Berührung. Auf der Oberseite des
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Kontaktteiles 9 befindet sich ein elektrisch isolierender Ring 11, auf dessen Oberseite sich eine Stahlscheibe 10 befindet. Auf der Oberseite der Stahlscheibe 10 ist Belleville-Federscheibe 12 angeordnet, die eine aus Federstahl bestehende zusammendrückbare Scheibe bekannter Ausführung ist. Der oberste Bauteil des Stapels ist ein erster zusätzlicher Bauteil 13 in Form einer plastisch verformbaren, d.h. permanent zusammendriickbaren Metall scheibe, die eine Gestalt haben kann, wie sie in Fig. 2 oder in den Fig. 3 und k dargestellt ist. Die Scheibe 13 gemäß Fig. 2 ist eine Lüfterscheiben-Verriegelungsscheibe derjenigen Art, wie sie von: der Fan Disc Company Limited of 101-111 Ilolloway Head, Birmingham Bl IQU, England, verkauft wird. Die Scheibe 13 weist einen ebenen Metallblechring auf, der rund um seinen Umfang gezahnt ist, wobei die durch die Zahnung gebildeten Umfangsegmente relativ zu der Ebene der Scheibe 13 verdreht sind, wie es aus der Zeichnung ersichtlich ist.
Die abgewandelte Ausführungsform der Scheibe 13 gemäß den Fig. 3 und k ist ein Metallblechring, welcher derart verformt ist, daß er rund um seinen Umfang eine Anzahl von Wellungen aufweist. Bei dem dargestellten Beispiel weist die Scheibe drei Wellungen auf. Die Scheibe gemäß den Fig. 3 und k ist eine Wellenscheibe, wie sie beispielsweise von The Lewis Spring Company Limited, of Studley Road, Redditch, Worcestershire, England, verkauft wird.
Beim Zusammenbau der Halbleitervorrichtung wird der Teilestapel in der Anordnung, wie sie in Fig. 1 wiedergegeben ist, in den Gehäuseteilen 1 und 2 angeordnet, und ein nicht dargestellter zweiter zusätzlicher Bauteil, der ein scheibenförmiger starrer Bauteil einer vorbestimmten Dicke ist, wird zwischen der Plattform 7 und dem Halbleiterelement 8 angeordnet. Der erste Gehäuseteil 1 wird dann von oben nach unten gegen den zweiten Gehäuseteil 2 gebracht, wodurch der Teilestapel zwischen einer Innenschulter 14 an dem ersten Gehäuseteil 1, und der Plattform 7 am Gehäuseteil 2 zusammen-
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gedrückt wird. Wenn die Gehäuseteile 1 und 2 zusammengebracht sind, d.h. sich gegeneinanderlegen, wird die Belleville-Federscheibe 12 durch die Druckkraft vollständig flachgelegt, und zufolge des Vorhandenseins des zusätzlichen zweiten Bauteiles vorbestimmter Dicke im Stapel ergibt sich beim Zusammenbringen der Gehäuseteile 1 und 2 eine plastische, d.h. permanente Verformung des zusätzlichen Bauteils 13.
Nachdem die Gehäuseteile 1 und 2 zusammengebracht worden sind, erfolgt kein Abschließen oder Abdichten des Gehäuses, sondern die Gehäuseteile i und 2 werden wieder voneinander getrennt, und zwar in einem solchen Ausmaß, daß der zweite zusätzliche Bauteil vorbestimmter Dicke entfernt werden kann. Nachdem dieser zweite zusätzliche Bauteil entfernt worden ist, werden die Gehäuseteile 1 und 2 wiederum zusammengebracht und mittels einer Schweißung über den Ring 6 aneinander befestigt, so daß eine fertiggestellte eingekapselte Halbleitervorrichtung gebildet ist.
Da der zweite zusätzliche Bauteil sich nicht mehr in dem Stapel befindet, wird die Belleville-Federsche'ibe 12 nicht vollständig zusammengedrückt, sondern nur teilweise zusammengedrückt, und zwar in einem Ausmaß, welches durch die permanente Verformung des Bauteiles 13 bestimmt ist, die durch den vorhergehenden Arbeitsvorgang hervorgerufen worden ist. Zufolge dieser Teilzusammendrückung der Belleville-Federscheibe 12 wird von dieser eine Federkraft auf den Stapel ausgeübt, und als Folge wird auf das Halbleiterelement 8 in der fertiggestellten eingekapselten Halbleitervorrichtung eine Druckkraft ausgeübt, die innerhalb eines richtigen Bereichs von Druckkraftwerten liegt.
Die permanente Zusammendrückung des Bauteils 13 ist bei verschiedenen Vorrichtungen verschieden in Übereinstimmung mit der Höhe des Stapels zufolge von Herstellungstoleranzen der Dicke der den Stapel bildenden Bauteile. Unabhängig von diesen Änderungen hat der Bauteil 13 nach der
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permanenten Verformung eine Dicke, die einen Wert hat, der geeignet ist, in der fertiggestellten Halbleitervorrichtung ein Zusammendrücken der Belleville-Federscheibe 12 in einem bestimmten festen Ausmaß hervorzurufen, so daß auf diese Weise die richtige gexiränschte Federdruckkraft erhalten wird. In jedem Fall ist die "endgültige Dicke des Bauteils 13 derart, daß die Belleville-Federscheibe 12 nach der Fertigstellung der Halbleitervorrichtung auf eine Dicke zusammengedrückt ist, die gleich ihrer Dicke im vollständig zusammengedrückten oder flachgelegten Zustand plus der Dicke des zweiten zusätzlichen Bauteiles ist.
Ein zweckentsprechendes Verhältnis zwischen den Druckkräften und der Druckverformung, welche der Bauteil 13 erfährt, ist in Fig. 5 dargestellt. In der graphischen Darstellung der Fig. 5 ist auf der senkrechten Achse die Druckkraft, und auf der waagerechten Achse die Verformung aufgetragen. Maße und dgl. sind nicht angegeben, da Fig. 5 nur das Wesen der Erfindung demonstriert und in keiner Weise begrenzend ist.
In Verbindung mit Fig. 5 ist festzustellen, daß die Eigenelastizität des Materials des Bauteils 13 eine begrenzte elastische Verformung ermöglicht, wie es durch den Teil A der dargestellten Kurve wiedergegeben ist. An dem Grenzpunkt B elastischer Verformung wird durch Anlegen zusätzlicher Kraft eine beträchtliche Verformung gemäß dem Kurventeil C hervorgerufen und dies tritt auf, wenn die angelegte Kraft größer wird als die Kraft Ll bei welcher die Belleville-Federscheibe 12 vollständig flachgelegt ist. Die Gehäuseteile 1 und 2 kommen bei dem ersten Zusammenbringen, bei welchem der zweite zusätzliche Bauteil angeordnet ist, anfänglich in Berührung miteinander, wenn eine Druckkraft gemäß L2 in Fig. 5 angelegt wird. Beim nachfolgenden Trennen der Gehäuseteile 1 und 2, um den zweiten zusätzlichen Bauteil entfernen zu können, ergibt sich eine Rückfederung der Dicke des Bauteils 13 entsprechend dem Kurventeil D. Die graphische Darstellung gemäß Fig. 5 gibt für den Fachmann Auskunft über kombinierte .
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elastische und plastische Verformung.
Beim endgültigen Zusammenbauen der Halbleitervorrichtung gemäß vorstehender ßeschi-eibung wird die Belleville-Federscheibe 12 dann durch Teilzusaniraendrückung in einem Ausmaß gespannt, wie es in Fig. 5 durch die Kraft L 3 angegeben ist. Die Elastizität des Bauteils 13 ist im Vergleich zur Elastizität der Belleville-Federscheibe 12 minimal und sie kann unter Gestaltungsgesichtspunkten vernachlässigt werden. Im Gegensatz dazu ist die plastische Verformbarkeit, d.h. die permanente Verformbarkeit wichtig.
Der zweite zusätzliche Bauteil* kann für die Einkapselung weiterer Halbleiterelemente wiederverwendet werden, so daß seine Kosten relativ unbedeutend sind. Anders ausgedrückt werden die Kosten, die sich ergeben, um genaue Dicke relativ zu der gewünschten endgültigen Federzusammendrückung zu erhalten, auf viele Halbleitervorrichtungen verteilt, so daß sie nur einen außerordentlich kleinen Anteil der Kosten einer einzelnen Halbleitervorrichtung bilden.
Durch Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es möglich, eine Halbleitervorrichtung herzustellen, bei welcher die Dickentoleranzen der Bauteile vor dem Zusammenbau beträchtlich größer sein können als bei einer Ausführung, bei welcher kein verformbarer Bauteil 13 gemäß vorstehender Beschreibung verwendet wird. Als Ergebnis ist es bei einer praktischen Ausführung möglich, eine Halbleitervorrichtung zu erzeugen, welche Gebrauch macht von den kleineren Toleranzen, die aufzunehmen sind, wobei beträchtlich weniger Belleville-Federscheiben verwendet werden bei der Bildung eines vollständigen federnd zusammendrückbaren Teiles zur Schaffung der vorbestimmten Druckkraft.
Es wurde bereits früher ausgeführt, daß und warum die Belleville-Federscheibe in dem gewünschten Ausmaß zusammengedrückt wird. Dieses Zusammendrücken im gewünschten Ausmaß ergibt sich daraus, daß sich ein Ausgleich der Stapelhöhe hinsichtlich anfänglich vorhandener Toleranzen durch die
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Teilverformung des ersten zusätzlichen Bauteiles 13 während des ersten bzw. anfänglichen Zusammendrückens des Stapels ergibt.
Die Dicke des ersten zusätzlichen Bauteils 13 ist derart gewählt, daß innerhall) aller zu erwartender Bereiche des Zusamniendrückens des Stapels während des ersten Zusammendrückvorganges eine dauerhafte Teilverformung in Form einer Teilzusammendrückung des ersten zusätzlichen Bauteils 13 ergibt. Die Dicke des zweiten zusätzlichen Bauteils ist so gewählt, daß sie in jedem Fall ausreichend ist, daß beim ersten Zusammenbringen des Stapels ein vollständiges Flachlegen der Federscheibe 12 und zusätzlich eine dauerhafte Teilzusammendrückung des ersten zusätzlichen Bauteils 13 erhalten werden.
Als Material für den ersten zusätzlichen Bauteil 13 kann vorzugsweise Stahl verwendet werden, und als Material für den zweiten zusätzlichen Bauteil kann irgendein Material verwendet werden, welches den auftretenden Druckbeanspruchungen ohne Verformung und ohne Beeinträchtigung wiederstehen kann. Beispielsweise könnte massiver Stahl verwendet werden.
Die elastische Verformung des ersten zusätzlichen Bauteils 13 beginnt zusammen mit der elastischen Verformung der Federscheibe 12, weil beide Bauteile 13 und 12 während des ersten Zusaminenbringens der Gehäuseteile der gleichen Druckbeanspruchung unterworfen sind. Elastische Verformung der Federscheibe 12 setzt sich fort bis zu dem Punkt Ll (Fig. 5), an welcher Stelle die Federscheibe 12 vollständig flachgelegt ist. Weiteres Zusammendrücken des Stapels über den Punkt hinaus bewirkt unelastische permanente Verformung des ersten zusätzlichen Bauteils. Die Federscheibe 12 kann tatsächlich nicht plastisch verformt werden, weil sie lediglich innerhalb ihrer Elastizitätsgrenze flachgelegt wird, so daß sie dann praktisch einen massiven Bauteil bildet. Die Struktur oder Ausführung des ersten zusätzlichen Bauteils 13 als ganzes ergibt eine wirksam weichere Struktur oder Ausführung als die der Federscheibe 12, jedoch wird
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diese relative Weichheit des ersten zusätzlichen Bauteils 13 zufolge der Elastizitätsgrenze der beiden Bauteile 13 und 12 nicht wirksam, "bis die Federscheibe 12 vollständig flachgelegt und ein massiver Bauteil geworden ist, dessen Elastizität vernachlässigbar ist. Lediglich der erste zusätzliche Bauteil 13 wird bei einer Zusammendrückkraft,
die höher als die dem Punkt Ll entsprechende Kraft ist,
permanent verforrat bzw. zusammengedrückt, wodurch eine gewünschte Verkürzung der Stapelhöhe erhalten wird, um nach dem Herausnehmen des zweiten zusätzlichen Bauteils die
richtige Stapelhöhe zu erhalten. Die Dicke des zweiten zusätzlichen Bauteils ist derart, daß nach dem anfänglichen Zusammendrücken des Stapels eine gewisse plastische Zu—
sammendrückbarkeit verbleibt.
Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen möglich. Beispielsweise kann der plastisch verformbare Bauteil 13 eine andere Gestalt haben, als sie in Fig. 2 bzw. in den Fig. 3 und k dargestellt ist. Außerdem können für
die federnd zusammendrückbaren Teile andere Teile als Belleville-Federscheiben verwendet werden. Die Erfindung kann auch angewendet werden bei der Einkapselung von Dioden,
Transistoren, Thyristoren, Triacs und anderer Halbleitervorrichtungen.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    1J Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung in Form eines eingekapselten Ilalbleiterelementes, wobei das Halbleiterelement in einem Stapel mit Kontalctteilen und einem federnd zusammendrückbaren Teil vorhanden ist, und wobei der Stapel innerhalb von und zwischen zwei Teilen eines Einkapselungsgehäuses zusammengedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stapel ein erster zusätzlicher Bauteil angeordnet wird, der sich unter einer Druckkraft plastisch verformen kann, die größer als die Druckkraft ist, die zum Flachlegen des federnd verformbaren Teiles erforderlich ist, anfänglich ein zweiter zusätzlichpr Bauteil einer festen vorbestimmten Dicke in dem Stapel vorgesehen wird, der Stapel aus Halbleiterelement, den Kontalctteilen, dem federnd zusamniendrückbaren Teil und den beiden zusätzlichen Bauteilen innerhalb der und zwischen den beiden Teilen des Einkapselungsgehäuses angeordnet wird, die beiden Gehäuseteile gegeneinander und in eine Stellung gedruckt \ierden, die sie einnehmen, wenn die Halbleitervorrichtung fertiggestellt ist, wodurch der Stapel zusammengedrückt, der federnd zusammendrückbare Teil flachgelegt und der erste zusätzliche Bauteil iii einem gewissen Ausmaß plastisch verformt wird, danach die beiden Gehäuseteile voneinander getrennt werden und der zweite zusätzliche Bauteil entfernt wird, dann die beiden Gehäuseteile endgültig rund um den Stapel zusammengebracht und derart aneinander befestigt und abgeschlossen werden, daß der Stapel derart zusammengedrückt ist, daß der federnd zusammendrückbare Teil teilweise flachgelegt ist und eine Druckkraft auf den Stapel ausübt, die innerhalb eines vorbestimmten Bereichs von Druckkräften liegt, und daß die Richtigkeit dieser Druckkraft bestimmt wird durch die Dicke des ersten zusätzlichen Bauteiles, die dieser hat, nachdem er während des anfänglichen Zusammendrückens des Stapels durch plastische Verformung eine Dickenverringerung erfahren hat.
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  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erster zusätzlicher Bauteil ein Lüfterscheibenring (Pig. 2) verwendet wird, der eine Metallscheibe ist mit gezahntem Umfang, bei welcher die durch die Zahnung gebildeten Umfangssegmente relativ zur Ebene der Scheibe verdreht sind.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erster zusätzlicher Dauteil eine Wellenscheibe (Fig. 3 und k) verwendet wird, die eine Metallscheibe ist mit Umfang s we llung en .
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als federnd zusammendrückbarer Teil eine Federscheibe verwendet wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch k9 dadurch gekennzeichnet, daß als Federscheibe eine Belleville-Federscheibe verwendet wird.
  6. 6. Halbleitervorrichtung, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
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SE7602584L (sv) 1976-09-22
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