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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Verfahren zur Herstellung von mikroelektronischenilalbleitergeräten,
insbesondere eine Verfahren zur Herstellung eines Optrons Die Erfindung kann bei
der Herstellung von Optronen für mikrominiaturisierte integrierte Hybridschaltungen
und monolithische integrierte Schaltungen, vorzugsweise bei der Herstellung von
unverkappten Optronen für mikrominiaturisierte integrierte Hybridachaltungen, verwendet
werden.
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Darüber hinaus kann die Erfindung bei der Herstellung anderer mikroelektronischer
Geräte eingesetzt werden, wo eine gegenseitige Anordnung von Ebenen zweier Elemente
mit der Fixierung eines gleichmäßigen mit leichtschmelzenden und polymerisierenden
Stoffen gefüllten Abstandes zwischen ihnen, wie z. B. beim Aufkleben von Halbleiterkrißtallplatten
integrierter Mikroschaltungen auf ein Metallgehäuse benötigt wird.
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Zur Zeit haben bei den Einrichtungen der Automatik und Telemechanik
optoelektronische Mikroschaltungen für galvani sche Entkopplung weitgehendete Verbreiterung
gefunden, deren Hauptteil ein Optron darstellt. Das Optron besteht aus einer lichtemittierenden
Haible iterdiode, einem Halbleiterfotoempfänger und einem lmmersionsmedium, das
die erstgenannten optisch und in den meisten Fällen auch mechanisch zu einer einheitlichen
Gerätekonstruktion verbindet, weil als Immeroionsmedium für die Ausstrahlung der
Leuchtdiode durchsichtige Dielektrika in Betracht kommen, mit deren Hilfe die Bau.
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steine des Optrons zusammengeklebt werden. Die Herstellung des Optrons
ist ein arbeitsintensiver Vorgang, der schwer zu automatisieren ist.
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Das Optron kann durch fünf statische Parameter gekennzeichnet werden,
die als Funktionen der Parameter der Halbleiterbausteine, der Abstandsgröße zwischen
den Halbleiter~ bausteinen und der Parameter des diesen Abstand füllenden Immersionsmediums
auftreten.
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1. K - Stromübertragungsmaß, das durch das Verhältnis des Ausgangsstroms
des Fotoempfängers zum Eingangsstrom der Leuchtdiode bestimmt wird: 2. R - Gleichstromisolationswiderstand
(#tkopplun£;swiderstand) zwischen der Leuchtdiode und dem Fotoempfänger; 3. U -
Durchschlagsspannung oder eine maximal zulässige Spannung zwischen der Leuchtdiode
und dem Fotoempfänger;
4. CI - Durchgriffskapazität zwischen den
Halbleiterbausteinen; 5. ß T - Arbeitstemperaturbereich, in dessen Grenzen das Optron
die Arbeitsfähigkeit beibehält und durch thermomechanische Spannungen nicht zerstört
wird.
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Vom Standpunkt der Verbesserung von K ist der Abstand zwischen der
Leuchtdiode und dem Fotoempfänger auf ein Mindestmaß zu reduzieren und zur Verbesserung
von Rb U, CI - zu vergrößern. In der Praxis wird die Abstandsgröße für jeden konkreten
Fall experimentell eingestellt, so daß R, U, CI gewährleistet sind und K zur selben
Zeit nicht zu klein ist, damit die Arbeitsfähigkeit des Optrons erhalten bleibt.
Der Arbeitstemperaturbereich a T des Optrons stellt eine komplizierte Funktion der
Abstandsgröße dar, und zur Sicherung eines maximalen t ist sie bei der Herstellung
des Optrons streng einzuhalten. Darüber hinaus werden sämtliche Parameter mit Ausnahme
von K nicht nur vom mittleren Wert des Abstandes, sondern auch von der Unparallelität
der Ausstrahlungsebene der Leuchtdiode und der Fotoempfangaebene des Fotoempfängers
beeinflußt, die durch den Wert
charakterisiert werden kann, wo h1 der maximale und h2 der minimale Abstand zwischen
der Leuchtdiode und dem Fotoempfän ger in den voneinander am weitesten entfernten
Punkten im
Spalt sind. Praktisch bewegt sich die Größe dieses Abstandes
in den Grenzen von 1 bis 103 #m m bei den Abmessungen der Leuchtdiode und des Fotoempfängers
von 0,1,.,0m2r0,5~.~1,0x 0a5...1s0 mm3, so ist z. B. die Abstandsgröße für ein eine
Leuchtdiode aus GaAs der Abmessungen 0,2X1,0x1,0 mm3 und einen Fotoempfänger aus
Si der Abmessungen 0,211>511,5 mm3 enthaltendes Optron mit statischen Parametern
R >= U >= 1000 V, CI #1,0 1,0pF bei # T von -60 bis +850C gleich 80 # m. Im
Vorgang der Massenfertigung werden Abweichungen dieser Größe von der Nenngröße nicht
mehr als um 20% zugelassen, größere Abweichungen aber führen zur Herabsetzung der
statischen Parameter und der Zuverlässigkeit der Geräte.
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Noch unerwünachtere Folgen zieht die entstehende Unparalleli tät der
Ebenen der Haibleiterbausteine nach sich. So fällt R um einige Zehnerpotenzen (bis
zu 3) ab, wenn # einen Wert von 0,2 überschreitet, dasselbe trifft auch für C1 zu.
Man muß also zur Sicherung der Kennlinienstabilität des Optrons bei dessen Herstellung
eine große Aufmerksamkeit der Einstellgenauigkeit des Abstandes zwischen den Halbleiterbausteinen
schenken0 Es ist ein in einer US-PS 3 836 793 beschriebenes Herstellungsverfahren
für ein Optron bekannt, bestehend im Zusammenkleben einer lichtemittierenden Halbleiterdiode
und Halbleiterfotoempfänger mit einem Abstand mittels eines für die Ausstrahlung
der Leuchtdiode durchsichtigen Dielektrikums
das auf die zu verklebenden
Oberflächen der Bausteine aufgetragen wird; dann wird zwischen sie ein fester Film
aus Dielektrikum gebracht, und sie werden angenähert. Der Film stellt einen die
i#nnäherung von Fotoempfänger und Leuchtdiode auf eine Entfernung gleich dem Abstand
zwischen dem genannten Fotoempfänger und der Leuchtdiode begrenzenden Festkörper
dar.
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Ein derartiges Herstellungsverfahren für ein Optron gestattet es
aber nicht, die Abstandsgröße genau einzustellen, weil sie nicht nur durch die Filmdicke,
sondern auch durch zwei auf die zu verklebenden Oberflächen der Leuchtdiode und
des Fotoempfängeis aufgetragene Klebeschichten gewährleistet wird,. deren Dicke
unkontrollierbar ist.
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Das oben betrachtete Verfahren sichert also bei der Massenproduktion
der Optrone keine Reproduzierbarkeit ihrer Parameter sowohl infolge der Ungenauigkeit
der Einstellung des Abstandes als auch infolge der Unparallelität der Ebenen des
Fotoempfängers und der Leuchtdiode.
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Der Abstand zwischen der Leuchtdiode und dem Fotoempfänger ist mit
einander abwechselnden Schichten von Klebemittel und Film mit verschiedenen Te mperaturausde
hnuugs koeff iz ienten und unterschiedlicher Adhäsion gefüllt, was zur Aufspaltung
solch einer Struktur bei Temperaturachwankungen beiträgt.
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Darüber hinaus sinkt die Lichtübertragung im Optron ab,
weil
es zusätzlich zwei Grenzflächen für Medien mit verschiedenen Brechungsindices gibt.
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Bei diesem Herstellungsverfahren für Optrone kann man als den Abstand
füllendes Dielektrikum nur eine kleine Klar~ se von Werkstoffen verwenden, die in
der tage sind, dünne (ein paar und einige zehn Mikron) und feste (bei Fertigungsgängen
nicht brechende) Filme zu bilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Reproduzierbarkeit
der statischen Parameter des Optrons bei der Massenfertigung durch Einstellung eines
streng fixierten Abstandes zwischen der lichtemittierenden Halbleiterdiode und dem
Halbleiterfotoempänger bei dessen Herstellung zu erhöhen.
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Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Herstellungsverfahren
für ein Optron, bestehend im Zusammenkleben einer lichtemittierenden Halbleiterdiode
und eines Halbleiterfotoempfängers mit einem Abstand mittels eines für die Ausstrahlung
der Leuchtdiode durchsichtigen Dielektrikums, das auf die Oberfläche eines der zu
verklebenden Bausteine aufgetragen wird, worauf deren Oberflächen durch einen Druck
größer als die Kräfte einer zähflüssigen Reibung des Dielektrikums auf eine Entfernung
gleich dem Abstand angenähert werden, die durch das Vorhandensein eines zwischen
diesen Oberflächen liegenden Festkörpers begrenzt ist, gemäß der Erfindung als Festkörper
aus Dielektrikum hergestellte kugelförmige Teilchen ausgenutzt werden, deren Durchmesser
gleich
der Abstandsgröße ist, die vorher dem klebenden Dielektrikum in einer Menge von
2 biß 20 Ges.% zugesetzt werden.
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Ein durartiges IIorstellun6rsverfahren für ein Optron bietet folgende
vorteiler Die Reproduzierbarkeit der Parameter des Optrons wird sprunghaft erhöht,
weil der Abstand mit großer Genauigkeit (einer Genauigkeit von 1 bis 2% von der
erforderlichen Abstandsgröße ) fixiert wird.
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Es wird die #uverlässigkeit der Geräte beträchtlich gesteigert, weil
die Unparallelität der ebenen der Leuchtdiode und des Fotoempfängers völlig eliminiert
und damit eine Konzentration elektrischer Felder in irgendwelchen Punkten ausgeschlossen
wird.
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Es wird der Fertigungsvorgang für ein Optron erheblich vereinfacht,
denn die Operationen der Vorbereitung eines Klebegemisches und des Zusammenklebens
der Bausteine des Optrons werden getrennt.
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Ein wichtiger Vorteil des Verfahrens ist die Erweiterung der Klasse
der zur Füllung des Abstandes zwischen dem Fotoempfänger und der Leuchtdiode verviendbaren
Werkstoffe.
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So ist die Ausnutzung sowohl von Materialien aus polymeren als auch
von leicht schmelzenden Chalkogenidgläsern möglich.
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EB ist auch möglich, vor der Polymerisation einen pulverförmigen Zustand
aufweisende Polymere auszunutzen. In diesem
Fall kann das vorher
präparierte Klebegemisch mit festen kugelförmigen Teilchen über eine uneingeschränkt
lange Zeit aufbewahrt und bei Bedarf eingesetzt werden.
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Auf andere vorteile der Erfindung soll bei näherer Beschreibung der
Erfindung eingegangen werden.
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Die vorliegende Erfindung soll nachstehend an Hand konkreter Beispiele,
die eine Verwirklichung des vorliegenden Verfahrens bestätigen, sowie einer beiliegenden
Zeichnung, auf der ein Schema des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für ein
Optron dargestellt ist, näher erläutert werden.
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Das vorliegende Herstellungsverfahren für ein Optron wird durch eine
folgende Arbeitsfolge gekennzeichnet.
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Zuerst wird ein aus einem Elebemittel 1 und festen kugelförmigen
Teilchen 2 bestehendes Gemisch präpariert, mit dessen Hilfe eine Leuchtdiode 3 und
ein Fotoempfänger 4 zusammengeklebt werden.
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Als Klebemittel 1 kommen über Eigenschaften des Immersionsmediums
eines Optrons verfügende Stoffe, wie Polymere oder leichtschmelzende Gläser, in
Frage. Es ist auch möglich, Polymere im pulverförmigen Zustand einzusetzen; in diesem
Fall kann das Gemisch beliebig lange gelagert und bei Bedarf verwendet werden.
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Es isK erwünscht, daß das Material der festen kugel~ förmigen Teilchen
folgende Forderungen erfüllt:
1. Das Material muß einen spezifischen
Widerstand nicht unterhalb des spezifischen Widerstandes des Klebemittels und eine
dielektrische Konstante in der gleichen Größenordnung wie auch beim Klebemittel
aufweisen. Wenn z. B, dor spezifische Widerstand des Klebemittels im Arbeitstemperatur
bereich des Optrons gleich 1011 Q} die dielektrische Konstante 8 gleich 10 sind,
so müssen die entsprechenden Parameter des Materials der kugelförmigen Teilchen
Werte von mindestens 1011 D für R und von 3 bis 20 für C aufweisen.
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2. Der Temperaturausdehnungskoeffizient des Materials der Kugeln
muß höher als beim Klebemittel liegen, weil die Steifheit der Kugeln im gesamten
Arbeitstemperaturbereichdie Steifheit des Klebemittels überschreiten muß; denn die
Verbindung der Bausteine des Optrons erfolgt bei einer Temperatur von ca. 15000
(es mag eine Harzpolymerisation oder ein Abschielzen eines leicht schmelzbaren Glases
sein) und beim Abkühlen des Optrons auf die Umgebungstemperatur können die Kugeln
bei der Nichterfüllung dieser Bedingungen eine Annähe rung der llalbleitorbausteine
verhindern, und bei einer schwa chen Adhäsion des Klebemittels und dessen niedriger
Bildsamkeit kann eine Abschichtung des Klebemittels von den Halbleiterbausteinen
eintreten.
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3. Das Material muß durchsichtig für die Ausstrahlung der Leuchtdiode
sein und einen Brechungsindex sogar gleich dem Brechungsindex des Klebedielektrikums
besitzen.
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Die letzto Forderung ist jedoch auf Grund dessen nicht unbedingt,
daß die Zahl der Kugeln zur Fixierung des Abstandes minimal möglich genommen wird,
wobei theoretisch drei nicht fluchtende Kugeln ausreichen.
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Die minimale Konzentration der kugelförmigen Teilchen C kann nach
der Beziehung:
errechnet werden, wo S-- der Flächeninhalt der zu verklebenden Fläche in cm2 d -
dem Abstand gleicher Durchmesser der kugelförmigen Teilchen in cm bedeuten.
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Praktisch wird die Zahl der Kugeln größer genommen und kann 50fo
vom Volumen des Klebemittels ausmachen.
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Die Konzentration der kugelförmigen Teilchen wird in einer Größenordnung
von 2 bis 20 Gewichts-% des Klebemittels genommen, was beispielsweise dem Vorhandensein
von 20 bis 30 Kugeln in einem 80 #m-Abstand 8OAmAbstand entspricht, dies ist ungeachtet
deren unregelmaß#iger und zufälliger Verteilung vollkommen ausreichend für eine
sichere und starre Fixierung des Abstandes.
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Zur gleichen Zeit wird die Lichtübertragung durch das Vorhandensein
im Spalt einer derartigen Zahl von für die Ausstrahlung der Leuchtdiode sogar undurchsichtigen
Kugeln nicht wesentlich beeinflußt, denn die durch sie eingenommen
Gesamtfläche
beträgt einige Prozente (2 bis 5%).
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Die Ilerstellung der Kugeln bereitet keine Schwierigkei ten, sie
können aus leicht- und schwerschmelzenden Gläsern im Plasmaschmelzverfahren mit
deren anschließender Trennung in erforderliche Durchmesser durch Sieben über Trennsiebe
hergestellt werden.
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Im genannten Verfahren können sphäroidisierte Pulver mit einer Teilchengröße
von einigen bis zu Hunderten Mikrometer erhalten werden.
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Aus einem Polymer werden die Kugeln durch dessen Zer stäubung und
Polymerisation in einem Strom von Heißgas gefertigt.
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Diese kugelförmigen Teilchen 2 werden dem Klebemittel 1 zugesetzt,
und das Gemisch wird sorgfältig bis zur Bildung einer Suspension durchgemischt.
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Dann wird auf einer technologischen Platte 5 mittels einer Saugspanneinrichtung
6 oder einer (in Fig. nicht angedeuteten) mechanischen Spannvorrichtung der Fotoempfänger
4 angeordnet, auf dessen zu verklebende Oberfläche mit einem speziellen Zuteiler
oder einfach mit der Spitze einer Stahlnadel ein Klebegemisch (## 9 0,5 mg) aufgetragen
wird, auf das Gemisch wird die Leuchtdiode 3 aufgelegt und durch eine gefederte
Andrückvorrichtung 7 nach einer entsprechenden Zentrierung an den Fotoempfänger
4 mit einer Kraft von ca.
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2 bis 5 g angedrückt, die zur Uborwindung der Kräfte einer zäliflüssigen
reibung des Gemisches ausreichend ist. Der Fotoempfänger 4 und die Leuchtdiode 3
werden angenähert, das zwischen ihnen eingeschlossene überschüssige Gemisch herausgepreßt,
während die Kugeln 2, indem sie im flüssigen Gemisch aufeinander gleiten und sich
zwischen den zu verklebenden Oberflächen als monomolekulare Schicht verteilen, die
Halbleiterbausteine des Optrons aneinander näher als auf den Durchmesser der Kugel
2 nicht kommen lassen.
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Darauf folgt in Abhängigkeit vom Material des Klebege mischen entweder
die Operation einer Polymerisation des Klebemittels aus einem Polymer oder eine
Abkühlung der Schmelze des leichtschmelzenden Glases.
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Die Beschreibung der Erfindung soll nachstehend an Hand konkreter
Beispiele näher erläutert werden, die die Möglichkeit der Verwirklichung des vorliegenden
Verfahrens bestätigen.
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Beispiel 1 Bei der Herstellung eines Optrons mit der Leuchtdiode
3 der Abmessungen 0,5x0,5 mm2 mit den Parametern K 1,0% R =5.1012Q C1= 2 PF U =
10 V ist es notwendig, den Abstand zwischen den Halbleiterbausteinen von 10 lym
einzuhalten.
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Bs wird ein Gemisch hergestellt, das sich zu 95 Gewichts % aus flüssigem
Epoxydharz 1 und zu 5 Gewichts~% aus kugelförmigen Teilchen 2 zusammensetzt, die
aus Silikonglas -N#O.CaO06SiO2 - gefertigt sind. Der Durchmesser der Teilchen beträgt
10 t m.
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Auf den auf der technologischen Platte 5 befestigten Fotoempfänger
4 wird das Klebegemisch (~ ~ 0,5 mg) aufgetragen, darauf die Leuchtdiode 3 aufgelegt
und mit Hilfe der Andrückvorrichtung 7 gegen den Fotoempfänger 4 mit einer Kraft
von 2 bis 5 g angedrückt, wodurch die zu verklebenden Bausteine auf eine Entfernung
von 10 P m angenähert werden.
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Dann wird die technologische Platte 5 für zwei Stunden in einen Trockenschrank
gebracht, wo eine Polymerisation von Epoxydharz bei einer Temperatur von 150°C erfolgt.
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Die Ausbeute der geeigneten Optrone mit den vorgegebenen Parametern
beträgt 90%.
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Beispiel 2 Bei der Fertigung eines Optrons mit der Leuchtdiode 3
der Jibmessungen 0,5x0,5 mm2 mit den Parametern K = 1,0% 13 R = 5.10 13 # C#= 0,2
pF U = 103V ist ein Abstand von 100 # m einzuhalten.
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Es wird ein Gemisch hergestellt, das sich zu 80 Gewichts-% aus Epoxydharz
und zu 20 Gewichts-% aus Kugeln 2 mit einem Durchmesser von 100 t m zusammensetzt,
die aus
Silikonglas - Na2O.CaO.6S102 - hergestellt sind.
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Die Arbeitsfolge bei der Fertigung des Optrons ist in diesem Beispiel
die gleiche wie im Beispiel 1.
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Die Ausbeute der geeigneten Optrone mit den vorgegebenen Parametern
macht 90% aus.
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Beispiel 3 Bei der Herstellung eines Optrons mit der Leuchtdiode
3 der Abmessungen 1,0x1,0 mm2 mit den Parametern K = 1,0% R = 10<2Q CI= 8,0 pF
U = 102 V ist ein Abstand von 10 P m einzuhalten.
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Es wird ein Gemisch, das sich zu 90 Gewichts-% aus Epoxydharz im
pulverförmigen Zustand und zu 10 Gewichts-% aus kugelförmigen Teilchen von Silikonglas
- Na20.CaO.6SiO2-mit einem Durchmesser von 10 # m zusammensetzt, d.h. ein Gemisch
in Pulverform, hergestellt.
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Der Fotoempfänger 4 wird auf der technologischen Platte 5 mittels
einer speziellen mechanischen Spannvorrichtung befestigt. Mit Hilfe eines Zflteilers
wird das Pulver aufgetragen und der Fotoempfänger 4 über die Spannvorrichtung auf
t0 von 120 0C erhitzt. Auf dem Fotoempfänger 4 bildet sich eine Schmelze von Epoxydharz
aus. Im weiteren geht der Fertigungsprozeß des Optrons ähnlich wie in den Beispielen
1 und 2 vor sich.
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Die Ausbeute der brauchbaren Optrone beträgt 90%.
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Beispiel 4 Bei der Herstellung eines Optrons mit der Leuchtdiode
3 der Abmessungen 1,0x1,0 mm2 und mit den Parametern K = 3% R CI=18pF U =102v ist
es notwendig, einen Abstand von 10 Jttm einzuhalten.
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Es wird ein Gemisch hergestellt, das zu 98 Gewichts~% aus dem Pulver
eines Chalkogenidglases der Zusammensetzung: As - 23 bis 37% Te - 24 bis 46% S -
27 bis 39% Se - 0 bis 10% mit einer Schmelztemperatur von 13000 und zu 2 Gewichts~%
aus kugelförmigen Teilchen 2 von 10 z m Durchmesser aus Chalkogenidglas der Zusammensetzung:
As - 18 bis 20% Te - 20 bis 30% S - 25 bis 30% Se - O bis 10% Ge.- 5 bis 15% mit
einer Schmelztemperatur T = 23000 besteht.
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Das Gemisch wird auf t0 = 13000 erhitzt und sorgfältig
durchgemischt,
Der Fotoempfänger 4 wird auf der technologischen Platte 5 mittels einer mechanischen
Spannvorrichtung befestigt.
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Dann wird auf den Fotoempfänger 4 mit einer Nadel ein Tropfen des
Gemisches aufgebracht, darauf die Leuchtdiode 3 aufgelegt und durch die Andrückvorrichtung
7 an den Fotoempf;#ng#er 4 auf eine Entfernung von 10 #m angedrückt. Die Abkühlung
des Optrons erfolgt an der Luft, Die Ausbeute der brauchbaren Optrone beträgt 80%
Beispiel 5 Bei der Herstellung des Optrons mit der Leuchtdiode 3 der Abmessungen
0,5x0,5 mm2 und mit den Parametern K = 3% R#= CI= 0,5 PF UI 103Y ist ein Abstand
von 100 r m einzuhalten.
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Es wird ein Gemisch, das sich zu 85 Gewichts-% aus einem Pulver von
leichtschmelzendem Chalkogenidglas und zu 15 Gewichts-% aus kugelförmigen Teilchen
2 mit einem Durchmesser von 100 # m aus schwerschmelzendem Chalkogenidglas zusammensetzt,
hergestellt. Die Zusammensetzung des Glases ist ähnlich wie im Beispiel 4.
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Im folgenden geht der Fertigungsprozeß des Optrons wie im Beispiel
4 vor sich,
Die Ausbeute der geeigneten Optrone macht 80% aus.
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Iy. Kurze Beschreibung der Zeichnung.
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In der Zeichnung ist ein Schema für die Herstellung eines erfindungsgemäßen
Optrons dargestellt.
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Aufzählung der in den AnsprUchen erwähnten Positionen: 2 - feste
kugelförmige Teilchen 3 - Leuchtdiode 4 - Fotoempfänger
L e e r
s e i t e