DE1041600B

DE1041600B - Heat-sensitive, electrical semiconductor component built into a metallic housing, such as a power transistor or directional conductor

Info

Publication number: DE1041600B
Application number: DES50740A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Eberhard Thuermel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1956-10-02
Filing date: 1956-10-02
Publication date: 1958-10-23
Also published as: CH352056A; FR1187071A; GB851744A

Description

DEUTSCHESGERMAN

Gute Wärmeableitung in elektrischen Halbleiterbauelementen, wie Transistoren oder Richtleiter, zu erzielen, ist ein allgemein schwierig zu lösendes Problem. Besonders bei Leistungstransistoren treten während des Betriebes erhebliche Wärmemengen auf, die zu einer Beeinträchtigung der Transistoreigenschaften oder gar zur Zerstörung eines Transistors führen können, wenn nicht für hinreichende Wärmeableitung Sorge getragen wird. Es ist bekanntgeworden, eine der Elektroden, beispielsweise den Kollektor, mit dem Transistorgehäuse leitend zu verbinden und dadurch eine einigermaßen wirksame Wärmeableitung zu erzielen. Es ist ferner vorgeschlagen worden, Wärmebrücken zu verwenden, etwa in der Form von Metallstücken oder -platten, die zugleich als Haltevorrichtungen für den Transistor dienen können. Weitere Vorschläge laufen darauf hinaus, den Transistor in Öl oder ein Fett einzubetten, dem gemäß weiterer Vorschläge verhältnismäßig gut wärmeleitende, aber isolierende Stoffe, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, zugesetzt sein können. Die genannten Maßnahmen zur Erzielung einer schnellen Wärmeableitung sind jedoch insbesondere bei der Steuerung großer Leistungen schwierig durchzuführen oder umständlich in der Herstellung.Good heat dissipation in electrical semiconductor components, such as transistors or directional conductors, too is a generally difficult problem to solve. Especially with power transistors considerable amounts of heat during operation, which impair the transistor properties or even to the destruction of a transistor, if not for sufficient heat dissipation Care is taken. It has become known, one of the electrodes, for example the Collector to be conductively connected to the transistor housing and thus a reasonably effective one To achieve heat dissipation. It has also been proposed to use thermal bridges such as in the form of metal pieces or plates that also act as holding devices for the transistor can serve. Other suggestions boil down to embedding the transistor in oil or a fat, which, according to further proposals, have relatively good thermal conductivity, but insulating materials, such as Aluminum oxide, can be added. The measures mentioned to achieve a quick However, it is difficult to carry out heat dissipation, especially when controlling large powers or awkward to manufacture.

Darüber hinaus ist es bei aus mehreren Gleichrichterelementen aufgebauten Trockengleichrichtern, die mit Gießharz überzogen sind, bekannt, daß mittels des Gießharzes wärmeableitende Kühlbleche derart mit angegossen sind, daß sie jeweils aus dem Gießharz herausragen oder innerhalb desselben die Wärmeableitung begünstigen. Hierbei ist auch vorgesehen, daß der Gleichrichter von einem weiteren Mantel aus Gießharz umgeben ist, derart, daß zwischen dem Mantel und dem Gleichrichter ein Hohlraum entsteht, der durch eine Masse hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus Metallspänen, ausgefüllt ist.In addition, dry rectifiers made up of several rectifier elements which are coated with casting resin, known that by means of the casting resin heat-dissipating cooling plates in such a way are cast on so that they protrude from the cast resin or the heat dissipation within it favor. It is also provided here that the rectifier extends from a further jacket Cast resin is surrounded in such a way that a cavity is created between the jacket and the rectifier, which is filled with a mass of high thermal conductivity, for example made of metal chips.

Obwohl dabei ein sehr großer Aufwand betrieben wird, wird, abgesehen von den im Vergleich zu den Bauelementen erhaltenen unvergleichlich großen Abmessungen, eine tatsächliche Wärmeabfuhr nicht erreicht, denn die das Bauelement in relativ großer Entfernung umgebenden Kühlbleche sind selbst nur in der Lage, verhältnismäßig geringe Wärmemengen aufzunehmen. Die den Hohlraum zwischen dem Gießharzmantel ausfüllende, hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisende Masse ist mit wärmeisolierendem Stoff umgeben, so daß von hier aus eine Wärmeableitung nicht erfolgen kann. Der Wärmestrom hat also mehrere Flußwiderstände, und zwar vom Bauelement zu den Kühlblechen, von den Kühlblechen zur Masse hoher Wärmeleitfähigkeit, von der Masse hoher Wärmeleitfähigkeit zur Umhüllung zu überwinden.Although this involves a great deal of effort, apart from the in comparison to the Components received incomparably large dimensions, an actual heat dissipation not achieved, because the cooling plates surrounding the component at a relatively large distance are themselves only in able to absorb relatively small amounts of heat. The cavity between the cast resin jacket filling, high thermal conductivity mass is surrounded with heat-insulating material, so that heat cannot be dissipated from here. So the heat flow has several Flow resistances, namely from the component to the cooling plates, from the cooling plates to the ground are higher Thermal conductivity, to be overcome by the mass of high thermal conductivity to the cladding.

Die Erfindung bezieht sich auf ein in einem metal-The invention relates to a metal

eingebautes, wärmeempfindliches,.built-in, heat-sensitive.

elektrisches Halbleiterbauelement,electrical semiconductor component,

wie Leistungstransistor oder Richtleiterlike power transistor or directional conductor

Anmelder:Applicant:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2Berlin and Munich,
Munich 2, Witteisbacherplatz 2

Dipl.-Phys. Eberhard Thürmel, München,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Phys. Eberhard Thürmel, Munich,
has been named as the inventor

lischen Gehäuse eingebautes, wärmeempfindliches, elektrisches Halbleiterbauelement, wie Leistungstransistor oder Richtleiter. Hierbei wird die Aufgabe gelöst, eine besonders gute Wärmeableitung von dem in dem Gehäuse eingebauten wärmeempfindlichen elektrischen Halbleiterbauelement an die Umgebung zu erzielen.Thermally-sensitive, electrical semiconductor component, such as a power transistor or directional conductor, built into the housing. This is where the task becomes solved, a particularly good heat dissipation from the heat-sensitive built in the housing electrical semiconductor component to achieve the environment.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Halbleiterbauelement und seine im Innern des Gehäuses befindlichen Zuleitungen mit einem dünnen, elektrisch isolierenden Überzug versehen und in einen den Raum zwischen dem Halbleiterbauelement und der Gehäusewandung ganz oder teilweise ausfüllenden und das Halbleiterbauelement allseitig umgebenden, entweder aus einem reinen Metall bzw. einer Metallegierung bestehenden oder in überwiegendem Maße Metall in feiner Verteilung enthaltenden Füllstoff eingebettet sind. Bei der vorliegenden Anordnung hat der Wärmestrom nur eine sehr dünne elektrisch isolierende Schicht zu überwinden. Er wird dann sofort von der Füllmasse aufgenommen und an das metallische Gehäuse weitergegeben und abgeführt.According to the invention this is achieved in that the semiconductor component and its inside The supply lines located in the housing are provided with a thin, electrically insulating coating and in the space between the semiconductor component and the housing wall in whole or in part filling and surrounding the semiconductor component on all sides, either made of a pure metal or a metal alloy or predominantly containing metal in fine distribution Filler are embedded. In the present arrangement, the heat flow is very thin to overcome electrically insulating layer. It is then immediately absorbed by the filling compound and passed on to the metallic housing and discharged.

In der Zeichnung ist eine zweckmäßige Ausführungsform der vorliegenden Anordnung beispielsweise dargestellt. 1 stellt ein metallisches Transistorgehäuse dar, dessen oberer Rand mit 1' bezeichnet ist. In dieses Gehäuse ist eine Metallmasse 2 eingegossen, in die der eigentliche Transistor, mit einer isolierenden Schicht 6 überzogen, eingebettet ist. Die Zuführungen des Transistors sind mit B (Emitter), B (Basis) und C (Kol-SOS 659/326In the drawing, an expedient embodiment of the present arrangement is shown for example. 1 shows a metallic transistor housing, the upper edge of which is denoted by 1 '. A metal mass 2 is cast into this housing, in which the actual transistor, covered with an insulating layer 6, is embedded. The leads of the transistor are with B (emitter), B (base) and C (Kol-SOS 659/326

lektor) bezeichnet. Oberhalb des Gehäuses befindet sich der Deckel 4 mit Glaseinschmelzungen 5E, SB und 5 C zur Durchführung der Transistorzuleitungen. Die während des Betriebes entstehende Wärme wird auf Grund der hohen Leitfähigkeit des Füllmetalls 2 schnell nach außen abgeleitet. Es ist im allgemeinen zweckmäßig, die Dicke des isolierenden Überzuges verhältnismäßig gering zu wählen, weil er einen schlechteren Wärmeleiter als das umgebende Metall darstellt, also einen verhältnismäßig hohen Wärmewiderstand bietet. Als Materialien für den isolierenden Überzug haben sich beispielsweise Silikonlacke, Monovinylcarbazol und ähnliche Stoffe bewährt. Eine gebräuchliche Art des Leistungstransistors besteht aus einer Scheibe aus Germanium, in die zwei Pillen aus Indium auf gegenüberliegenden Seiten einlegiert sind. Die Schmelztemperatur des Füllmetalls 2 sollte möglichst unterhalb 150° C liegen, weil sonst das Indium des Transistors schmelzflüssig wird. Andererseits ist es zweckmäßig, wenn der Schmelzpunkt des Metalls nicht kleiner als 70° C ist, einer Temperatur, die etwa die Grenze darstellt, wie weit Transistoren ohne nachhaltige Schädigung noch erhitzt werden können. Die genannten Eigenschaften weisen eine Anzahl von Legierungen auf. insbesondere solche, die die Elemente Wismut. Blei. Cadmium oder Zinn enthalten. Beispielsweise kann das Newtonsohe Metall, welches aus 53% Wismut, 26% Zinn und 21% Cadmium besteht, oder eine andere Legierung, die aus 44% Blei und 56% Wismut zusammengesetzt ist. verwendet werden. Das Material des isolierenden Überzuges selbst ist im allgemeinen gegen Feuchtigkeit empfindlich. Das Wasser kann entlang der Zuführungsdrähte in den Transistor eindringen und diesen unbrauchbar machen. Aus diesem Grunde ist es im allgemeinen vorteilhaft, das Transistorgehäuse in bekannter Weise mit einem Deckel 4, welcher mit einem Wulst 4' versehen ist, nach oben noch gesondert zu verschließen. Die vakuumdichte Durchführung der Transistoranschlüsse E, B und C wird zweckmäßig mittels Glaseinschmelzungen SE, SB, SC gewährleistet. editor). Above the housing is the cover 4 with glass seals 5 E, SB and 5 C for the implementation of the transistor leads. The heat generated during operation is quickly dissipated to the outside due to the high conductivity of the filler metal 2. It is generally expedient to choose the thickness of the insulating coating to be relatively small because it is a poorer heat conductor than the surrounding metal, that is to say it offers a relatively high thermal resistance. For example, silicone varnishes, monovinyl carbazole and similar substances have proven useful as materials for the insulating coating. A common type of power transistor consists of a disc of germanium into which two pills of indium are alloyed on opposite sides. The melting temperature of the filler metal 2 should be below 150 ° C. if possible, because otherwise the indium of the transistor becomes molten. On the other hand, it is useful if the melting point of the metal is not less than 70 ° C., a temperature which is roughly the limit to how far transistors can be heated without lasting damage. A number of alloys exhibit the properties mentioned. especially those that contain the elements bismuth. Lead. Contains cadmium or tin. For example, the Newtonian metal, which is composed of 53% bismuth, 26% tin and 21% cadmium, or another alloy composed of 44% lead and 56% bismuth. be used. The material of the insulating cover itself is generally sensitive to moisture. The water can penetrate the transistor along the feeder wires and make it unusable. For this reason, it is generally advantageous to close the transistor housing separately at the top in a known manner with a cover 4 which is provided with a bead 4 '. The vacuum-tight implementation of the transistor connections E, B and C is expediently ensured by means of glass seals SE, SB, SC.

Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die beschriebene Transistoranordnung. Es können bei Transistoren oder sonstigen elektrischen Halbleiterbauelementen, welche Temperaturen über 150° C ohne Schädigung aushalten, auch Metalle oder Metalllegierungen für die Füllmasse 2 verwendet werden, die einen entsprechend höheren Schmelzpunkt aufweisen. Andererseits können auch andere feste oder flüssige Füllstoffe, wie Öle und Fette, die mit Metallsplittern oder Metallstaub vermengt sind, als Füllmasse verwendet werden.However, the invention is not limited to the transistor arrangement described. It can with Transistors or other electrical semiconductor components, which temperatures above 150 ° C without Withstand damage, metals or metal alloys are also used for the filling compound 2, which have a correspondingly higher melting point. On the other hand, other fixed or liquid fillers, such as oils and fats mixed with metal splinters or metal dust, as fillers be used.

Die Herstellung eines Halbleiterbauelementes, z. B. eines Transistors, gemäß der Erfindung ist sehr einfach. Nach Überziehen des Transistors und seiner Zuleitungen mit einem isolierenden Stoff wird dieser in das Gehäuse eingeführt und das flüssige Füllmetall oder der sonstige flüssige Füllstoff in das Gehäuse gegossen, so daß der Transistor nach dem Festwerden des Füllstoffes fest eingebettet sitzt. Neben der vorteilhaften Eigenschaft, eine sehr gute Wärmeableitung vom Transistor zur Gehäusewandung zu besitzen, ergibt sie!) als weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden An- rdnung, daß beim Eingießen des Metalls zugleich der Wasserbelag, der sich am Transistor normalerweise festgesetzt hat, bei der hohen Temperatur des Metalls entfernt wird. Eine besondere Trocknung sowie Einfüllen eines besonderen Schutzgases erübrigt sich also bei der vorliegenden Anordnung. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist ihre hohe mechanische Stabilität.The manufacture of a semiconductor component, e.g. B. a transistor, according to the invention is very simple. After covering the transistor and its leads with an insulating material, it is in the housing is inserted and the liquid filler metal or other liquid filler is poured into the housing, so that the transistor is firmly embedded after the filler has solidified. In addition to the advantageous Property of having very good heat dissipation from the transistor to the housing wall results they!) as a further important advantage of the present guideline that when pouring the metal at the same time the water deposit that is normally on the transistor has set at the high temperature of the metal is removed. A special drying as well as filling in a special protective gas is not necessary with the present arrangement. A Another advantage of this arrangement is its high mechanical stability.

Auch die Fertigung des Transistors ist an sich einfach, weil das Eingießen des Metalls und das dichte Verlöten des Deckels 4 in einem Arbeitsgang durchgeführt werden kann. Das Füllmetall 2 kann dabei zugleich als Lötmittel für das Zusammenlöten des Wulstes 4^y mit dem Gehäuserand verwendet werden, wenn das Transistorgehäuse bis in die Nähe des Randes damit gefüllt wird.The manufacture of the transistor is in itself simple, because the casting of the metal and the tight soldering of the cover 4 can be carried out in one operation. The filler metal 2 can also be used as soldering agent for soldering the bead 4 ^y to the edge of the housing if the transistor housing is filled with it up to the vicinity of the edge.

Außer Transistoren können gemäß der vorliegendenIn addition to transistors, according to the present

Anordnung auch andere ähnliche wärmeempfindliche Halbleiterbauelemente untergebracht sein, die im Betrieb starken Erwärmungen ausgestzt sind.Arrangement can also accommodate other similar heat-sensitive semiconductor components that are in operation are exposed to strong warming.

Claims

Patent claims:

1. Heat-sensitive electrical semiconductor component built into a metallic housing, such as power transistor or directional conductor, characterized in that the semiconductor component and its leads located inside the housing with a thin, electrical insulating coating and provided in a space between the semiconductor device and completely or partially filling the housing wall and the semiconductor component on all sides immediate, either consisting of a pure metal or a metal alloy or im predominantly metal in a fine distribution containing filler are embedded.

2. Semiconductor component according to claim 1, characterized in that the insulating coating consists of silicone varnish »monovinylcarbazole or the like.

3. Semiconductor component according to claim 1 or 2, characterized in that the metal or the Metal alloy contains at least one of the elements bismuth, lead, cadmium or tin or consists of it and has a melting point between 70 and 150 ° C.

4. Transistor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the housing with a lid is tightly soldered, the glass seals for the implementation of the connections (base, Collector, emitter).

5. A method for producing transistors according to any one of claims 1 to 4, characterized in that that first the transistor with an insulator layer z. B. by diving, spraying or the like. Is coated and after insertion into the housing, the liquid metal is poured into it.

6. A method for producing semiconductor components according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the filler metal is filled so high in the housing that it is when Put on the housing cover slightly over the edge and a soldering between the Brings housing edge and the transistor cover.

Considered publications:
German patent application L 19905 VIIIc / 21g (announced on :)

1 sheet of drawings