DE1951583A1 - Halbleitervorrichtungen mit einem laenglichen Koerper aus formbarem Material - Google Patents

Description

6866-69/Dr.Sd/db

(RCA 61 166 Priorität: 15.I0.1968) 1951583

RCA Corporation

New York, N.Y., V.St.A.

Titel: Halbleitervorrichtungen mit einem länglichen Körper aus formbarem Material.

Die Erfindung bezieht sich auf die Kapselung von Halbleitervorrichtungen von der Art von Plättchen für integrierte Schaltungen, welche bei verhältnismässig hohen Leistungen betrieben werden können und weiterhin bezieht sich die Erfindung auf den Zusammenbau einer derart gekapselten Halbleitervorrichtung mit Wärmeableitungsmitteln.

Plättchen mit irtegrierten Schaltungen sind bisher in drei grundsätzlich verschiedenen Arten von Gehäusen hergestellt worden. Die erste Bauart benutzte ein Metallgehäuse ähnlich dem Gehäuse von diskreten Transistoren und eine zweite Bauart eines verwendbaren Gehäuses bestand aus mehreren zusammengefügten keramischen Elementen. Beide Bauarten besassen eine verhältnismässig gute Wärmeabteilung, sind jedoch verhältnismässig teuer im Vergleich zu dem Preis des von innen eingebauten Gerätes.

Bei der dritten Art eines Gehäuses war das Plättchen mit seiner integrierten Schaltung in ein polymeres plastisches Material eingebettet. Diese Bauart hat wegen ihrer grossen Billigkeit recht weite Verbreitung gefunden.

Die übliche Herstellung von aus Kunststoff bestehenden Gehäusen beginnt mit der Herstellung eines sogenannten Leitungsrahmens, der Im allgemeinen aus einem ebenen Träger für eine Halbleitervorrichtung besteht und aus einer Mehrzahl von Leitungen die mit der Halbleitervorrichtung elektrisch verbunden werden müssen. Alle diese Teile werden in ihrer späteren Ge-

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brauchslage durch Metallstücke oder Metallstreifen miteinander verbunden, die später entfernt werden müssen. Dieser sogenannte Leitungsrahmen wird gewöhnlich aus einem Metallblech herausgestanzt. Eine Halbleitervorrichtung nach Art eines Plättchens mit einer integrierten Schaltung wird dann auf dem Träger angebracht und es werden mittels feiner Drähte Verbindungen zwischen den aktiven Elementen auf dem Plättchen und den Leitungen des Leitungsrehmens hergestellt. Dieser Aufbau wird dann in eine~Form eingesetzt und es wird ein polymerer Kunststoff in die Form eingegossen um das Plättchen mit seiner Schaltung einzukapseln. Nachdem der Kunststoff ausgehärtet ist, wird das Gehäuse entfernt und das überschüssi-ge Metall des Leitungsrahmens wird abgeschnitten.

Für die Benutzung in integrierten Schaltungen ist das in dieser Weise gekapselte Plättchen ein Körper aus polymerem Material, der die Form eines länglichen rechteckigen Prismas hat, innerhalb dessen sich ein Plättchen mit integrierter Schalterung auf einem Metallträger befindet. Die Zuleitungen zu der integrierten Schaltung treten an den beiden längeren Aussenflachen des Körpers aus. Da die polymeren Kunststoffe, welche zur Kapsel-ung von Halbleitervorrichtungen benutzt worden sind, verhältnismässig schlechte Wärmeleiter sind, konnte man diese Art von Kapselung nur für verhältnismässig kleine Leistungen verwenden. Dagegen waren sie für viele der gegenwärtig bekannten integrierten Schaltungen mit verhältnismässig hoher Leistung unbrauchbar. Es sind nämlich integrierte Schaltungen bekannt, welche beispielsweise soviel Wärme entwickeln, daß ihr Gehäuse einen thermischen Widerstand von 20 - 4o°C je Watt besitzen muß.

Eine bekannte Auskunft auf bestehende Kapselungen für integrierte Schaltungen enthält auch Vorrichtungen um die Wärme von dem Plättchen abzuführen. Diese Art von gekapselten Halbleitervorrichtungen enthält alle oben erwähnten Bauelemente

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und enthält ausserdem noch einen verhältnismässig massiven Wärmeleiter, der mit dem Träger des erwähnten Plättchens gekoppelt ist. In der fertiggekapselten Vorrichtung erstreckt sich der Wärmeleiter in der Längsrichtung des Kunststoffkörpers und tritt an einer seiner kleineren Stirnflächen aus. Diese Konstruktion stellt Jedoch keine Verbesserung der thermisdien Eigenschaften von schon früher bekannten aus Kunststoff bestehenden Kapselungen dar* sondern erfördert nur einen zusätzlichen Schritt im Fabrikationsgang, nämlich den Schritt der Hinzufügung eines Wärmeleiters zu dem Träger des Plättchens mit seiner integrierten Schaltung. Es ist also eine kompliziertere Form zur Herstellung des Kunststoffkörpers erforderlich. Darüberhinaus verläuft der Wärmel-eitungskörper bei der erwähnten bekannten Anordnung längs eines verhältnismässig langen Weges. Wegen dieser grossen Weglänge muß sein Querschnitt verhältnismässig groß gewählt werden, um eine ausreichende Wärmeleitung sicherzustellen. Dieser Wärmeleitungskörper muß also verhältnismässig massiv sein, wodurch die Fabrikationskosten ungünstig beeinflußt werden und weswegen man auch nicht ein und dasselbe Modell eines Wärmeleitungskörpers für verschiedene Zwecke benutzen kann und ausserdem den Wärmeleitungskörpier nicht ohne weiteres biegen kann.

Ein bekanntes Kunststoffgehäuse für diskrete Halbleitervorrichtungen besteht aus einem etwa rechtwinkeligen Kunststoffkörper, aus einer Reihe von elektrischen Leitungen, die in der Ebene des erwähnten Kunststoffkörpers liegen und aus einem Wärmeableitungsstreifen, der von diesem Kunststoffkörper ausgeht. Die elektrischen Leitungen treten aus einer der grösseren Seitenflächen des Kunststoffkörpers aus und der Wärmeabieitungsstreifen aus der anderen Seitenfläche. Ein solcher Äu-fbau eignet sich für Halbleitervorrichtungen wie Transistoren, welche nur verhältnismässig wenige Leitungen erfordern, eignet sich jedoch nicht für integrierte Schaltungen mit einer erheblichen Anzahl von Zuleitungen. Wenn man von gekapselten integrierten Schaltungen ein^eSöglichst guten Gebrauch machen will, so müssen die

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, Leitungen aus beiden längeren Aus senf lachen des Kunststoffkörpers austreten.

Das gemäss der Erfindung vorgeschlagene Gehäuse eignet sich insbesondere für integrierte Schaltungen. Es besteht aus eine» länglichen Körper aus formbarem Material in Form eines länglichen Prismas mit zwei längeren Aussenflächen und zwei verhältnismässig kleinen Stirnflächen. Aus diesem Kunststoffkörper treten eine Anzahl von Leitungen durch beide erwähnten längeren Aussenflächen hindurch aus. Innerhalb des * Kunststoffkörpers befindet sich ein Träger für ein Halbleiterp'lättchen und zwar liegt dieser Träger im wesentlichen zentral im Kunststoffkörper. Ferner erstreckt sich von dem Träger aus wenigstens ein Wärmeleiter zum Aussenraum des Kunststoffkörpers und zwar tritt dieser Wärmeleiter ebenfalls durch eine der längeren Aussenflächen des Kunststoffkörpers hindurch. Das erwähnte Gehäuse kann auch ein Wärmezerstreuungselement, beispielsweise einen Wärmeabstrahlungskörper in Verbindung mit dem Wärmeableitungskörper besitzen.

Das durch die Erfindung vorgeschlagene Gehäuse ist einfach im Aufbau und kann mit herkömmlichen bekannten Fabrikationseinrichtungen ohne wesentlichen Umbau derselben her- W gestellt werden. Das Gehäuse hat alle Preisvorteile von Kunststoffgehäusen und besitzt eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit zur Abführungder Wärme von den integrierten Schaltungen bei verhältnismässig hohem Leistungsverbrauch derselben. -

Figur 1 ist eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des durch die Erfindung vorgeschlagenen Gehäuses, wobei ein Teil des Gehäuses weggebrochen ist, um din Einblick in das Innere zu gestatten.

Figur 2 enthält einen Teil einer Aufsicht auf einen söge-" ^! nannten Leitungsrahmen, wie er für die Fabrikation der Kurist-'' '

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- 5 stoffgehäuse verwendet werden kann.

Figur 5 veranschaulicht einen Fabrikationsschritt in der Herstellung der betreffenden Kunststoffgehäuse,

Figur 4 zeigt einen Querschnitt, welcher ein Verfahren zur Befestigung eines Kunststoffgehäuses gemäss der Erfindung auf einer Tafel mit gedruckten Schaltungen veranschaulicht.

Figur 5 zeigt ein anderes geeignetes Befestigungsverfahren.

Die in Figur 1 im ganzen mit 10 bezeichnete Ausführungsform enthält einen Kunststoffkörper"11, der die Form eines länglichen Prismas besitzt. Der Körper 11 hat zwei verhältnismassig lange Aussenflachen 12 und 14 und 2 verhältnismässig kleine Stirnflächen 16 und 18. In der Stirnfläche 16 befindet sich eine Nut 20.

In der Mitte des Körpers 11 liegt ein metallischer wärmeleitender Träger 22, auf welchem ein Plättchen 24 für eine Integrierte Schaltung angebracht ist. Das Plättchen 24 ist mit dem Träger 22 gut wärmeleitend verbunden. Die Einzelheiten der Konstruktion dss Plättchens 24 sind für das Verständnis der zu erläutenden Erfindung nicht notwendig. Es sei jedoch bemerkt, dass das Blättchen 24 aktive Elemente, beispielsweise Transistoren trägt, die bei verhältnismässig hohen Leistungen arbeiten.

Eine Reihe von in einer Ebene liegenden elektrischen Leitungen 26 sind in den Kunststoff des Körpers 11 eingebettet und verlaufen vom Inneren des Körpers 11 von einer Stelle nahe dem Träger 22 in den Aussenraum des Kunststoffkörpers, wobei sie durch die längeren Aussenflächen des Kunststoffkörpers austreten. Jede der Leitungen 26 besitzt einen verhältnismässig breiten Teil 28 und einen verhältnismässig schmalen Teil j}0 sowie eine Schulter- oder Übergangsstelle 32 zwlsohen diesen beiden Teilen. Wenn man den Kunststoffkörper auf eindem gedruckten Sehaltbrett anbringen will, so werden die Enden 30

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; der Leitungen 26 in Bohrungen des Schaltbrettes eingeführt und

j die Übergangsstellen 32 berühren die Oberfläche des Schaltbrettes und divinieren dadurch die Höhe des Kunststoffkörpersi 10 über der Schaltbrettfläche.

Die elektrische Verbindung zwischen den Leitungen 26 und , den aktiven Elementen auf dem Plättchen 24 besteht aus feinen Drähten 34 die mit den Leitungen 26 beispielsweise durch Thermokompressionen verbunden werden und mit dem Plättchen über (nicht mitdargestellte) Anschlußlegungen verbunden werden.

Aus dem Körper 11 treten an seinen längeren Aussenflächen 12 und 14 ausser den Leitungen 26 auch noch zwei Wärmeleiter-Streifen 36 aus. Im vorliegenden Falle bestehen diese Wärmeleiterstreifen 36 mit dem Träger 22 des Plättchens aus einem Stück und verlaufen senkrecht zu den Aussenflächen 12 und 14.

! Die Wärmeleiter 36 sind verhältnismässig breit, so daß j sie eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen. Sie können gewünschten-ι falls mit schmäleren Enden 38 ausgerüstet werden, so daß sie ; sich leicht in einen Wärmeabstrahlungskörper einfügen lassen.

* ' Die Vorrichtung Io wird nach einem Verfahren hergestellt, welches vollständig der üblichen Einkapselung in Kunststoff entspricht. Die Wärmeleiter ^6, der Träger 22 und die elektrischen Leitungen 26 werden vorzugsweise aus einem einzigen Blech gestanzt nach Art der sogenannten Leitungsrahmen. Figur 2 zeigt einen Leitungsrahmen 40, der sich für die Herstellung der Vorrichtung 10 eignet.

Der Leitungsrahmen 40 kann beispielsweise aus einem ; Kupferblech bestehen, soll aber eine etwas grössere Dicke be-, : sitzen als die bekannten Leitungsrahmen. Durch diese grössere Dicke wird die Wärmeleitfähigkeit der Streifen 36 verbessert. 'Die Dicke darf jedoch nicht so groß gewählt werden, daß sich j die Leitungen 26 und die Wärmeleitungeetreifen 36 nicht mehr

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leicht, biegen lassen.

Die,Form des Leiterrahmens 40 ist so gewählt, daß seine verschiedenen Elemente, beispielsweise die Wärmeleiterstreifen j56, die elektrischen Leiter 26 und der Träger 22 sich in ihrer für den späteren Gebrauch richtigen gegenseitigen Lage befinden. Ausserdem enthält der Leiterrahmen noch eine äussere Umrandung 42 und schmale Verbindungsteile A4 für den Träger 22 sowie Streifen 46 zwischen den Leitern 26. .

Der Träger 22 wird in der Mitte des Leiterrahmens 40 durch die Wärmeleiterstreifen 36 gehalten, und ferner durch zwei Haltestreifen 44. Da die Grosse der Wärmeleiterstreifen 36 unter Umständen auch etwas stärker gewählt werden kann, sind gegebenenfalls die Wärmeleiterstreifen 36 bereits stark genug um den Träger 22 zu halten, so daß die zusätzlichen Haltestreifen 44 unter Umständen, fortfallen können.

Nach Fertigstellung des Leiterrahmens 44 wird das Plättchen 24 mit seiner integrierten Schaltung auf dem Träger 22 befestigt. Hierzu kann ein leitfähiger Klebstoff auf Epoxybasls verwendet werden oder auch ein bekanntes eutektisches Befestigungsver^ fahren.

Sodann werden dünne Drähte mit dem Halbleiterplättchen und mit.den inneren Enden der elektrischen Leiter 26 verbunden. Nach Vollendung dieses Arbeitsganges wird die gesamte Anordnung in die in Figur 3 dargestellte Form, welche aus den beiden Fonnhälften 4γ und 48 besteht, eingefügt. Die Formhälften 4? und 48 besitzen zusammen einen Innenraum 50 von den Abmessungen des gewünschten Körpers 11. Über einen Trichter 52 kann das erhitzte in der Wärme aushärtende Material eingefüllt werden. Dabei erfüllen die Verbindungsstr*eifen 46 noch den zusätzlichen Zweck, einen Überschlag zwischen dem Innenraum 50 und einer Stelle ausserhäib dieses innenraumes zu begrenzen.

Nach der Vollendung des Formungsvorganges wird die Anordnung aus der Form herausgenommen und der äussere Teil 42 sowie die Verbindungsstreifen 46 werden entfernt. Die ganze Anordnung 10 wird dann durch Abbiegen der elektrischen Leiter in die in Figur 1 dargestellte Form fertiggestellt.

.Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei verschiedene Wege wie die Vorrichtung 10 zusammen mit einem Kühlkörper auf einem gedruckten Schaltbrett angebracht werden kann. Gemäss Figur 4 befindet sich auf dem gedruckten Schaltbrett 54 eine Unterlage 56, auf deren einer Seite eine Mehrzahl von elektrischen Leitungen 58 angebracht ist. Auf der oberen Seite dieser Unterlage Platte 56 befindet sich ein verhältnismässig großflächiges wärmeleitendes Element 60, welches eine Wärmesenke und einen WKrmeabstrahlungskörper bildet. Das Element 60 kann beispielsweise eine auf dem Unterlagekörper 56 angebrachte Kupferfolie sein.

Das gedruckte Schaltbrett 54 besitzt ferner (nicht dargestellte) öffnungen, in welche die Leitungen 26 in" an sich bekannter Weise eingefügt werden. Wenn man die Vorrichtung 10 auf dem Schaltbrett 54 anbringt, werden zunächst die Leitungen 26 durch diese öffnungen hindurchgesteckt und dann elektrisch mit den an der .Unterseite des Schaltbrettes befindlichen Leitern 58 verbunden, beispielsweise durch ein Lötverfahren. Die Wärmeabieiterstreifen ji6 werden sodann in Berührung mit dem wärmeleitenden Element 60 gebracht und beispielsweise durch einen Tropfen Lötzinn 62 gut wärmeleitend mit dem Element verbunden. Die Vorrichtung 10 befindet sich also nunmehr in einem gewissen Abstand von der Oberfläche des gedruckten Schaltbrettes 64 und ist gegen Stoßwirkung und gegen Erschütterungen ausreichend gesichert.

Bei dir in Figur 5 dargestellten Ausführungsform eines Schaltbrettes wird ein getrennter Wärneableitungskörper 64 verwendet. Dieses Element 64 kann beispielsweise ©in Blech

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aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Kupfer, sein, welches mit zwei Bohrungen 66 versehen wird. Das gedruckte Schaltbrett 68 trägt auf seiner Unterseite mehrere elektrische Leitungen 70.

FUr den Einbau der Vorrichtung 10 bei dieser Ausführungsform wird zunächst das Kühlelement 64 mit der Vorrichtung 10 dadurch verbunden« daß man die Wärmeabieitstreifen J>6 gegenüber den elektrischen Leiterstreifen 26 nach oben biegt und sie durch die öffnungen 66 in dem Kühlelement 64 hindurchsteckt. : Die geringere Breite der Wärmeabieiterstreifen 36 an ihren Enden 38 erleichtert die Einfügung in die öffnungen 66. Die äussersten Enden 38 werden dann parallel zu der Kühlplatte ' gebogen, so daß die Vorrichtung 11 an der Kühlplatte 64 anj liegt und es wird gegebenenfalls noch durch einen Tropfen aus I Lötzinn 72 für die Befestigung an der Platte 64 gesorgt.

j Sodann wird die Vorrichtung 10 unct die Kühlplatte 64 in { gewöhnlicher Weise mit dem Schaltbrett 68 verbunden. Bin Vor-I teil der Ausführungsform nach Figur 5 gegenüber derjenigen j nach Figur 4 besteht darin» daß beide Seiten der Kühlplatte ; 64 freiliegen und somit Wärme abstrahlen können.

l Wenn nan die Vorrichtung 10 in der beschriebenen Weise j konstruiert, erreicht man alle Vorteile von gewöhnlichen I In Kunststoff gekapselten Integrierten Schaltungen und er- _; hält aussei täem noch eine gute Kühlung wie bei den früheren j Iceramischen Gehäusen und Metallgehäusen, Wenn man die Wärme -: ableitungsiitreifen parallel zu den elektrischen Leitungen i abbiegt, lfsst sieh die gekapselte Vorrichtung auch wie bis- !her in hergebrachter Welse in der Fabrikation verwenden· I Wegen der fiindurchführung der Wärm*ableitunge*treifen durch die verhältniemiteeig groeeen Seitenflächen des Körpers Xl wird die Wärmeableitung von dem Blättchen 24 naoh auseen ferner dadureh verbessert« daß dies« Warraeftbleitungaetreifen die geringst« »ögliohe Läng« besitzen.

Claims (1)

1. \[Xl)

   Patentansprüche

   Halbleitervorrichtung mit einem länglichen Körper aus formbarem Material, der zwei längere Aussenf lachen und zwei vergleichsweise kleinere Stirnflächen besitzt, gekennzeichnet durch einen Träger (22) aus wärmeleitendem Material, der in den erwähnten Körper (It) zentral eingebaut 1st und von ihm vollständig umschlossen wird, durch ein Soheibchen aus halbleitendem Material in der Mitte des Trägers mit auf dem Scheibchen angebrachte aktive Bauteile zum Betrieb bei verhältnlsmässig grosser Leistung und durch eine Hehrzahl von Leitern (26), deren jeder von einer dem Träger benachbarten Stelle durch die erwähnten Aussenf lachen des Körpers hindurchtritt und durch wenigstens einen Wärmeleiter (36), der mit dem Träger (22) in gut wärmeleitender Verbindung steht, und durch eine der erwähnten Aussenf lachen des Körpers nach aussen austritt·

   Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (Xl) aus einem Polymer besteht.

   Vorrichtung nach Anspruch I_x dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleiter (36} von dem Träger senkrecht zu dec genannten Auesenf lachen des Körpers verläuft.

   4.) Vorrichtung nach Anspruch 1* dadurch gekennzeichnet, dag zwei Wärmeleiter (56) vorhanden sind, die senkrecht zu den beiden genannten Ausseaflächen in den Aussenraum des Körpers verlaufen«

   5,) Einrichtung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet* daß die elektrischen Leiter 26 parallel zueinander in dergleichen Ebene verlaufen·

   2·)

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   6.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ausserhalb des Körpers ein Wärmeableitungs- und Wärme- . Strahlungskörper mit den Wärmeableitstreifen 06) verbunden

   ist. . " ■

   7.) Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung aus einer Platte von wärmeleitendem Material besteht, verhältnismässig breit ausgebildet ist und sich mit den Wärmeableitstreifen in innigem thermischen Kontakt befindet.

   8.) Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet;, daß mittels der elektrischen Leiter (26) die Vorrichtung an einem Schaltbrett befestigt ist und daß an den Wärmeableitstreifen (56) eine Kühlplatte(64) befestigt ist.

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