DE2712543A1 - In harz vergossene halbleitervorrichtung und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
In harz vergossene halbleitervorrichtung und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Beschreibung:
Die Erfindung bezieht sich auf eine in Harz vergossene
Halbleitervorrichtung, insbesondere auf eine in Harz vergossene Halbleitervorrichtung mit hoher Leistung, mit
einer an einer unteren Oberfläche eines Teils der Harzmasse vorgesehenen Kühlplatte.
Der Stand der Technik und die Erfindung werden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die perspektivische Ansicht einer bekannten, in Harz vergossenen integrierten Leistungsschaltung
mit nach oben gedrehter Unterseite,
Fig. 2 die an einer Montageplatte befestigte Halbleitervorrichtung
der Fig. 1,
Fig. 3 die perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung (integrierte Leistungsschaltung),
Fig. 4 die an einer Montageplatte befestigte Halbleitervorrichtung
der Fig. 3,
Fig. 5 die perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung,
Fig. 6 die an einer Montageplatte befestigte Halbleitervorrichtung
der Fig. 5,
Fig. 7 eine bekannte, in Harz vergossene Halbleitervorrichtung in zum Teil aufgebrochener Darstellung,
Fig. 8 den Schnitt VIII-VIII der Fig. 7,
Fig. 9 die Seitenansicht der auf einer Montageplatte befestigten Halbleitervorrichtung der Fig. 7 und 8,
Fig. 10 die Draufsicht auf die Anordnung der Fig. 9,
Fig. 11 die perspektivische Ansicht einer Kühlfahne vor deren Einbau in eine Halbleitervorrichtung,
Fig. 12 die Vorderansicht einer auf einer Montageplatte befestigten, in Harz vergossenen Halbleitervorrichtung,
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Fig. 13 die perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen, in Harz vergossenen Halbleitervorrichtung bei zur klareren Darstellung
abgenommener Kühlfahne,
Fig. 14a und 14b die Seitenansicht der auf einer Montageplatte
befestigten Halbleitervorrichtung der Fig. 13 und
Fig. 15 den Querschnitt einer vierten AusfUhrungsform der
erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.
Bekanntermaßen wird bei Leistungs-Halbleitervorrichtungen
und integrierten Hochleistungsschaltungen wegen des hohen
Leistungsverbrauchs bei ihrer Benutzung eine große Wärmemenge erzeugt. Da Halbleitervorrichtungen unter dem Einfluß
von Wärme ihre elektrischen Eigenschaften leicht ändern, muß die Wärme so schnell wie möglich abgeführt werden.
Die in Fig. 1 gezeigte bekannte integrierte Leistungsschaltung ist so aufgebaut, daß die in den Halbleiterelementen
erzeugte Wärme schnell abgeführt wird. Die in Fig. 1 gezeigte integrierte Leistungsschaltung 1 enthält eine
ebene Kühlplatte 2 aus Kupfer, an der Halbleiterelemente
befestigt sind. Oberhalb der Platte 2 sind mehrere im wesentlichenparallel
zueinander angeordnete Anschlüsse 3 vorgesehen, die an ihren inneren Enden mittels Drähten
oder dergleichen an die zugehörigen Halbleiterelemente angeschlossen sind. Der obere Teil der Kühlplatte 2 ist mit
einem Harzmaterial abgedeckt. Mit anderen Worten, die inneren Endteile der Anschlüsse 3, die Verbindungsdrähte
und die Halbleiterelemente sind mit einem Harzvergußteil 4 abgedeckt. Wenigstens die untere Oberfläche 5 der Kühlplatte
2 liegt, wie in Fig. 1 gezeigt, frei. Die integrierte Leistungsschaltung 1 ist in Fig. 1 umgedreht dargestellt,
so daß die untere Oberfläche 5 der Kühlplatte 2 sichtbar ist. Die Kühlplatte 2 und der Harzvergußteil oder -block
sind an ihren beiden Enden mit Einschnitten 6 zur Aufnahme von Befestigungsschrauben versehen.
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Bei der bekannten integrierten Leistungsschaltung entstehen
häufig im mittleren Bereich der oberen Oberfläche des Harzvergußteils Risse; in extremen Fällen reißen auch die
Halbleiterelemente in dem Harzvergußteil, wenn die integrierte Leistungsschaltung mittels Klemmschrauben auf einer
Montageplatte befestigt wird.
Untersuchungen zur Klärung der Ursachen dieser unerwünschten Erscheinungen haben zu folgendem Ergebnis geführt.
Wenn nämlich während der Herstellung der integrierten Halbleiterschaltung der Harzvergußteil ausgebildet wird, so
findet das Vergießen bei einer hohen Temperatur statt, die nachfolgend auf Zimmertemperatur abnimmt. Hierbei verbiegt
sich die Harzschicht wegen des Unterschieds der thermischen Schrumpfung zwischen Kühlplatte und Harzschicht, sowie zusätzlich
wegen der beim Aushärten des Harzes bei absinkender Temperatur eintretenden Schrumpfung. Der Wärmedehnungskoeffizient der aus Kupfer bestehenden Kühlplatte beträgt
nämlich 17 χ 10" /0C und ist damit wesentlich kleiner als
der von Harz. Der Wärmedehnungskoeffizient von Harz ist normalerweise sehr hoch, er liegt beispielsweise in der
Größenordnung von 30 χ 10~ /°C. Aus diesem Grunde wird der Harzteil nach dem Vergießen einer starken Schrumpfung
ausgesetzt, was zu Verbiegungen oder Werfungen der Harzschicht
führt. Nimmt man beispielsweise an, daß die Breite, Länge und Stärke der Harzschicht 10, 30 bzw. 5 mm beträgt,
während die Kühlplatte aus einer Kupferplatte von 1 bis 1,5 mm Stärke bei im wesentlichen gleicher Breite und
Länge wie die Harzschicht oder etwas geringeren Abmessungen besteht, so beträgt die in der Harzschicht entstehende
Verbiegong a (Fig. 2) der Harzschicht, gemessen an deren
Enden, etwa 0,2 mm.
Soll eine integrierte Leistungsschaltung mit verbogenem Harzvergußteil an ihren beiden Enden mittels Klemmschrauben
7 und Muttern 8 an einer Montageplatte 9 befestigt werden,
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so entstehen in dem Harzvergußteil angrenzend an dessen obere Oberfläche starke Zugspannungen. Übersteigt diese
die Zugfestigkeit des Harzes, die in der Größenordnung von 4000 χ 10 liegt, so entstehen Risse 10, die zu einer
verminderten Feuchtigkeitsbeständigkeit der integrierten Leistungsschaltung führen. Bei größeren Verbiegungen werden
auch die in den Harzvergußteil eingebetteten Halbleiterelemente zerstört, was zu einer Verschlechterung
ihrer elektrischen Eigenschaften und schließlich zu ihrer Uhbrauchbarkeit führt.
In Verbindung mit der vorstehenden Erläuterung ist es verständlich, daß der Harzvergußteil längs seiner Kanten
verbogen wird, wenn das vergossene Produkt aus einer defekten Vergießform herausgenommen wird. Eine solche Verbiegung
bildet die Ursache für Risse in der oberen Oberfläche des Vergußteils und dergleichen Mangel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mängel und Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere
sollen eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zu deren Herstellung sowie eine Anordnung zur Befestigung
einer Halbleitervorrichtung mit einer Kühlplatte angegeben werden, deren Wärmedehnungskoeffizient wesentlich
höher ist als der eines Harzvergußteils, wobei die Befestigung sanordnung so ausgebildet werden soll, daß die Halbleitervorrichtung
fest und dicht mittels Schrauben auf einer Montageplatte befestigt werden kann, ohne daß Beschädigungen
oder Zerstörungen des Harzvergußteils und der Halbleiterelemente eintreten.
Erfindungsgemäß werden im Harzvergußteil in der Nähe der Einschnitte zur Aufnahme der Schrauben VorSprünge ausgebildet,
oder es wird ein geeignetes Teil, beispielsweise eine Scheibe, zwischen der Befestigungsplatte und der
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unteren Oberfläche der integrierten Leistungsschaltung eingelegt, so daß die Deformation des Harzvergußteils entgegengesetzt
zu der Biegerichtung, die durch die Klemmkraft der Schraube hervorgerufen wird, auf ein Minimum verringert
werden kann. Auf diese Weise wird die dem Harzvergußteil angrenzend an dessen obere Oberfläche beim Montieren der
integrierten Leistungsschaltung entstehende Zugspannung auf einen Wert vermindert, der kleiner als die Zugfestigkeit
ist. Hierdurch kann die- Entstehung von Rissen im Harzvergußteil und in den Halbleiterelementen sicher verhindert
werden.
Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung (integrierte Leistungsschaltung) 11 mit einer Kühlplatte
aus Kupfer, an der Halbleiterelemente befestigt sind. Oberhalb
der Kühlplatte 12 sind mehrere Anschlüsse 13 angeordnet, die im wesentlichen parallel zueinander liegen und
deren innere Enden mittels Drähten elektrisch verbunden sind. Die Kühlplatte 12 ist an ihrer oberen Oberfläche mit einer
Harzschicht beschichtet. Hierdurch sind die inneren Enden der Anschlüsse 13, die Anschlußdrähte und die Halbleiterelemente
durch einen Harzvergußteil 14 abgedeckt. Wenigstens die untere Oberfläche 15 der Kühlplatte 12 liegt aber gemäß
^Fig. 3 frei, wo die Halbleitervorrichtung 11 mit der Unterseite
nach oben dargestellt ist, so daß die untere Oberfläche 15 der Kühlplatte 12 sichtbar ist. Die Kühlplatte
12 und der Harzvergußteil 14 sind mit Einschnitten 16 zur Aufnahme von Klemmschrauben versehen. Im Bereich der äußeren
Enden des Harzvergußteils 14 oder an den beiden Enden der freiliegenden Oberfläche der Kühlplatte 12, in der
Nähe der Einschnitte 16 für die Klemmschrauben, sind Vorsprünge
17 vorgesehen, deren Stärke je nach Art des Harzes im Bereich von 0,1 bis 0,15 mm liegt. Die Abmessung oder
Höhe der Vorsprünge 17 ist weiter abhängig von der Größe der integrierten Leistungsschaltung und von Material und
Abmessungen der Kühlplatte 12. Da die Verbiegung an den
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beiden Enden der integrierten Leistungsschaltung beim Beispiel
der Fig. 2 etwa 0,2 mm beträgt, wurde die Höhe der VorsprUnge 17 bei dieser Ausführungsform zu 0,1 bis 0,15 mm
gewählt.
Fig. 4 zeigt die Befestigung der integrierten Leistungsschaltung 11 auf einer Montageplatte 18. Durch die Einschnitte
16 werden mit ihren Spitzen Klemmschrauben 19 und durch Durchgangslöcher in der Montageplatte 18 hindurchgeführt.
Die integrierte Halbleiterschaltung 11 wird dann mit Hilfe der Schrauben 19 und mittels Muttern 20 an der Montageplatte
18 befestigt. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß, selbst wenn der Harzvergußteil, gemessen an den beiden Enden
der integrierten Leistungsschaltung, einer Verbiegung von 0,2 mm unterworfen wird, die Deformation b des Harzvergußteils
14 entgegen der Biegung auf einen Wert von weniger als 0,05 bis 0,1 mm, gemessen an den beiden Enden der integrierten
Leistungsschaltung 11, herabgedrückt werden kann, und zwar wegen der VorSprünge 17, deren Stärke 0,1 bis 0,15
mm beträgt (Figt 4). Auf diese Weise kann die durch die
Befestigung der integrierten Halbleiterschaltung auf der Montageplatte hervorgerufene Deformation gegenüber der bei
der bekannten integrierten Halbleiterschaltung wesentlich vermindert werden. Auf diese Weise können der Harzvergußteil
14 und die Halbleiterelemente sicher vor jeglicher Beschädigung und Zerstörung, beispielsweise vor Rissen geschützt werden.
Da die Höhe der VorSprünge 17 kleiner gewählt wird als die
auftretende Verbiegung der integrierten Leistungsschaltung, kann der Hauptteil der freien unteren Oberfläche der Kühlplatte
unter der Klemmwirkung der Schrauben eng an der Montageplatte anliegen, so daß eine befriedigende Wärmeabfuhr
gewährleistet ist.
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Die Höhe der Vorsprünge kann unter Berücksichtigung der Größe der Halbleitervorrichtung oder der integrierten
Leistungsschaltung und der Größe der Verbiegung bestimmt werden.
Statt die Vorsprünge 17 am Harzvergußteil 14 vorzusehen,
kann die untere Oberfläche der Kühlplatte 12 an Stellen in der Nähe der Einschnitte 16 zur Aufnahme der Schrauben
nach unten vorspringend ausgebildet werden.
Gemäß Fig. 5 können auch statt der Vorsprünge an der Halbleitervorrichtung
21, Vorsprünge 24 längs der Umfangskanten der Durchgangslöcher 23 der Montageplatte 22 ausgebildet
werden.
Zusätzlich kann als Einrichtung zur Verhinderung von Rissen im Halbleiterelement und im Harzvergußteil eine oder mehrere
Scheiben vorgesehen werden.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel des Verfahrens zur Befestigung der Halbleitervorrichtung an einer Montageplatte unter Verwendung
von Scheiben. In Fig. 6 sind die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 4 verwendet. Wenn gemäß Fig. 6 die Halbleitervorrichtung
11 mittels Schrauben 19 und Muttern 20 an der Montageplatte 18 befestigt wird, wird zwischen die
Montageplatte 18 und die Halbleitervorrichtung 11 eine
Scheibe 17' mit einer Stärke von 0,1 mm eingelegt und die Schraube 19 durch dieselbe hindurchgefUhrt. Wenn, gemessen
an den beiden Enden, eine Verbiegung c von 0,2 mm in der Halbleitervorrichtung 11 vorhanden ist, dann wird infolge
der eingelegten Scheibe von 0,1 mm Stärke die Deformation der Halbleitervorrichtung 11 infolge des Klemmens mit
Hilfe der Schrauben und Muttern in Richtung zur Verminderung der Verbiegung auf einen Wert von weniger als 0,1 mm begrenzt.
Somit wird, verglichen mit der bekannten Art der
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Befestigung, die Deformation der Halbleitervorrichtung 11 beträchtlich vermindert, so daß der Harzvergußteil 14 und
die vergossenen Halbleiterelemente gegen Risse geschützt werden.
Da die Stärke der Scheibe 17' kleiner als die Größe der
Verbiegung gewählt wird, liegt der Hauptteil der freien unteren Oberfläche der Kühlplatte 12 dicht an der Montageplatte
18 an, so daß eine gute Wärmeleitung von der Kühlplatte 12 zur Montageplatte 18 gewährleistet ist und die
elektrischen Eigenschaften der Halbleitervorrichtung nicht verschlechtert werden.können. Natürlich ist die Wärmeleitung
umso besser, je dünner die Scheibe 17' ist. Hat beispielsweise
der Harzvergußteil 14 einer Halbleitervorrichtung 11 eine Breite, Länge und Stärke von 10, 30 bzw. 5 mm,
während die Stärke der Kühlplatte 12 1 bis 1,5 mm beträgt
und ihre Breite und Länge gleich der des Harzvergußteils 14 oder etwas geringer sind, so kann mit einer Scheibe
von einer Stärke von wenigstens 0,05 mm das Auftreten von Rissen im Harzvergußteil und in den Halbleiterelementen
wirksam verhindert werden. In der Praxis wird die Stärke der Scheibe 17' in Abhängigkeit von der Größe der Halbleitervorrichtung
und deren Verbiegung gewählt.
Die Scheibe braucht nicht ringröhren- oder ringförmig zu sein. Sie kann auch einfach rechteckig ausgebildet werden.
Die Scheiben sollten jedoch an beiden Enden oder Seiten der verbogenen Halbleitervorrichtung vorgesehen werden.
Die Scheibe braucht nicht unbedingt rings um den Umfang der Schraube befestigt zu werden. Da aber das auf die Halbleitervorrichtung
in den durch die Schrauben geklemmten Bereichen wirkende Biegemoment umso größer wird, je weiter
die Scheibe von den geklemmten Bereichen entfernt ist, entsteht die Gefahr der Zerstörung der Halbleitervorrichtung,
so daß es wünschenswert ist, die Scheibe rings um den Umfang der zugehörigen Klemmschraube anzuordnen.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Befestigung von
Halbleitervorrichtungen auf einer Befestigungsplatte werden also Vorsprünge bzw. Scheiben in der Nähe der Schrauben-Auf
nähme teile ausgebildet bzv/. angeordnet, und zwar unter Berücksichtigung der durch diß Aushärtschrumpfung des Harzvergußteils
hervorgerufenen Verbiegung, so daß die Deformation der Halbleitervorrichtung infolge des Festklemmens
vermindert und die Halbleitervorrichtung vor Beschädigungen oder Zerstörungen geschützt wird. Auf diese Weise werden
erfindungsgemäß Ausfälle von Halbleitervorrichtungen, die bisher nach ihrer Befestigung auf der Montageplatte häufig
auftraten, sowie die sich hierdurch ergebende Verschlechterung der Eigenschaften der Vorrichtung sicher vermieden.
Die Erfindung ist ebenso anwendbar auf andere in Harz vergossene Halbleitervorrichtungen, insbesondere auf in Harz
vergossene integrierte Hochleistungsschaltungen, die mehrere
äußere Anschlüsse aufweisen, die sich parallel zueinander von wenigstens einer Seitenfläche des Harzblockes erstrecken,
sowie eine wärmeleitende Platte zur Kühlung, die von einer anderen Seitenfläche des Harzblockes wegragt, und eine Kühlfahne,
deren eines Ende mit dem vorspringenden Teil der wärmeleitenden Platte verbunden ist, wobei der Teil der
Kühlfahne zwischen deren beiden Enden sich längs der unteren Oberfläche des Harzblockes erstreckt.
Als derartige Halbleitervorrichtung wurde beispielsweise eine in Harz vergossene integrierte Schaltung mit dem in
Fig. 7 gezeigten Aufbau vorgeschlagen. Fig. 8 zeigt den Querschnitt VIII-VIII der Fig. 7. Wie aus diesen Figuren
ersichtlich, ragt ein Teil einer wärmeleitenden Platte 32 zur Wärmeabfuhr von einer Seite eines Harzblockes 31 weg,
der mehrere äußere Anschlüsse 33 aufweist, die von der gegenüberliegenden Seite des Harzblockes wegragen. Die
äußeren Anschlüsse 33 und die wärmeleitende Platte 32 sind aus dem gleichen Metall, das eine gute WärmeIeit-
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fähigkeit aufweist, hergestellt, beispielsweise aus sauerstofffreiem
Kupfer, mit Zinn legiertem sauerstofffreiem Kupfer, Phosphorbronze, Cobal oder dergleichen in Form eines Bandstreifens
mit versilberten Oberflächen. Wegen ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit werden für integrierte Hochleistungsschaltungen sauerstofffreies Kupfer und mit Zinn legiertes
sauerstoflfreies Kupfer bevorzugt. Ein Element 34 einer integrierten
Schaltung ist an einem Teil der wärmeleitenden Platte 32 befestigt, die in einem Harzblock 31 vergossen
ist. Die Anschlüsse des Elements 34 der integrierten Schaltung
und die inneren Enden der äußeren Anschlüsse 33, die
in den Harzblock 31 eingebettet sind, sind mittels dünner Drähte, beispielsweise mittels Golddrähten 35 elektrisch
miteinander verbunden. Eine Kühlfahne 36 aus geeignetem Material, beispielsweise Aluminiumblech, ist mit einem Ende
mechanisch mit dem vorspringenden Teil der wärmeleitenden Platte 32 verbunden, so daß der wärmeleitende Teil 37 der
Kühlfahne 36 zwischen dem einen und dem anderen Ende längs der unteren Oberfläche des Harzblockes 31 verläuft. Die
Kühlfahne 36 kann z.B. folgendermaßen an der wärmeleitenden Platte 32 befestigt werden. Der eine Endbereich 38 der
Kühlfahne 36 wird zuvor U-förmig gebogen, so daß der vorspringende Teil der wärmeleitenden Platte 32 in den U-förmig
gebogenen Teil eingeführt werden kann. Nach dem Einführen wird der U-förmig gebogene Teil mittels einer mechanischen
Verstemmeinrichtung oder dergleichen flach gepreßt, so daß die beiden Teile fest miteinander verbunden werden.
Der Harzblock 31 ist, in Längsrichtung gesehen, an seinen beiden Enden mit einem Loch 39 und einem Einschnitt 40,
jeweils zur Aufnahme einer Schraube, versehen. Nach Befestigung einer solchen Halbleitervorrichtung an einer
Montageplatte steht der wärmeleitende Teil 37 der Kühlfahne 36 in direktem Kontakt mit der Montageplatte (Chassisplatte) 41, oder es wird ein elektrisch isolierendes Teil
(nicht gezeigt) mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischengelegt,
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wie in Fig. 9 und 10 dargestellt. Die Halbleitervorrichtung v/ird an der Montageplatte 41 mittels Schrauben 42, die
durch das Loch 39 und den Einschnitt 40 geführt sind, und hiermit zusammenwirkenden Schrauben 43 an der Montageplatte
41 befestigt.
Bei der vorstehend beschriebenen Befestigungsanordnung wird zwischen dem Harzblock 31 und dem wärmeleitenden Teil 37
der Kühlfahne 36 nur schwierig ein enger Kontakt erreicht. Gemäß Fig. 8 und 9 entsteht ein Spalt 44 in der Größenordnung
von 0,5 mm zwischen den beiden Teilen, weil die Verbindung zwischen der Kühlfahne 36 und der wärmeleitenden
Platte 32 so ausgeführt wird, daß nur das eine Endteil 38 der Kühlfahne 36 mit dem vorspringenden Teil der wärmeleitenden
Platte 32 in Verbindung steht. Weiter erstreckt sich die wärmeleitende Platte 32 vom mittleren Bereich der
Seitenfläche des Harzblocks 31. Wenn bei dieser Anordnung
die Halbleitervorrichtung mit Hilfe der Schrauben 42 festgeklemmt wird, neigen beide Seitenbereiche des Harzblocks
31 dazu, die wärmeleitende Platte 37 gegen die Federkraft der Kühlfahne 36 eng zu berühren. Andererseits wird die
im Harzblock 31 befindliche wärmeleitende Platte 32 wegen der Rückstellkraft dauernd einer Kraft ausgesetzt, die
nach oben wirkt. Infolgedessen wird auf den Harzteil, der sich längs des Umfanges der in den Harzblock 31 eingebetteten
wärmeleitenden Platte 32 erstreckt, eine Scherkraft ausgeübt. Mit anderen Worten, weil die Neigung besteht,
daß der Teil des Harzblockes 31, der über der wärmeleitenden
Platte 32 liegt, nach oben geschoben wird, wirkt auf den Zwischenbereich zwischen dem Umfangsteil der wärmeleitenden
Platte 32 und des erwähnten Harzblockteils eine Scherkraft, die oft zu Rissen 45 im Harzblock (Fig. 10)
führt, so daß die Feuchtigkeitsbeständigkeit der integrierten Schaltung verschlechtert wird. Außerdem wird bei breitem
Spalt 44 die Deformation (Verbiegung) des Harzblocks 31 entsprechend erhöht, so daß sogar im Schaltungselement
schließlich unerwünschte Risse auftreten.
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Die Kühlfahne 36 wird normalerweise unter Verwendung einer Stanzpresse aus Aluminiumblech hergestellt. Dabei
besteht die Y/ahrscheinlichkeit, daß der Umfangsteil oder
Rand der Kühlfahne 36 dünner als ihr restlicher Teil wird, weil Aluminium ein verhältnismäßig weiches Material ist.
Insbesondere werden schmale Teile des wärmeleitenden Bereichs 37 wesentlich dünner, wie in Fig. 11 dargestellt.
Wenn dabei die integrierte Schaltung mittels Schrauben 42 und Muttern 43 an einer Montageplatte 41 befestigt werden
soll (Fig. 12), so entstehen in der Harzmasse in radialer Richtung Zugspannungen, die zu Rissen 46 führen. Bei Verwendung
von Epoxyharz als Vergußmasse entstehen Risse, wenn die Zugspannung die Zugfestigkeit von 4000 χ 10
übersteigt.
Zusätzlich werden bei zu hoher Klemmkraft diejenigen Stellen der Kühlfahne infolge der auftretenden Deformation
dünner, an denen die Klemmkraft wirkt. Infolgedessen werden im Harzblock 31 in Richtung vom mittleren Bereich
zum Umfangsbereich (in radialer Richtung) Zugspannungen erzeugt, die zu Rissen im Harzblock und im darin eingebetteten
integrierten Schaltungselement führen.
Um diese Nachteile zu vermeiden, muß eine Einrichtung vorgesehen werden, mit der verhindert wird, daß mechanische
Spannungen auf den Harzblock und das integrierte Schaltungselement übertragen werden, wenn die in Harz vergossene
integrierte Halbleiterschaltung an der Montageplatte befestigt wird.
Fig. 13 zeigt eine erfindungsgemäße integrierte Hochleistungsschaltung
bei abgenommener Kühlfahne. Der aus Epoxyharz hergestellte Harzblock 47 ist mit Einschnitten 48
und 49 zur Aufnahme von Schrauben versehen. Von einer Seitenfläche des Harzblockes 47 ragen parallel zueinander
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mehrere äußere Anschlüsse weg; eine wärmeleitfähige Platte 51 erstreckt sich von der gegenüberliegenden Seitenfläche
des Harzblockes 47. An der unteren Oberfläche des Harzblockes 47 sind an den Seiten der Einschnitte 48 und 49
Sitzbereiche oder Vorsprünge 52 mit einer Höhe von je 0,1 bis 0,5 mm ausgebildet. In Fig. 13 ist die Halbleitervorrichtung
von unten gezeigt, d.h., die Oberfläche, die auf der Montageplatte aufliegen soll, weist nach oben. Eine
Kühlplatte 53 aus Aluminium (in gestrichelten Linien dargestellt) ist mit einem Ende über eine mechanische
Klemmstelle oder Verstemmung mit 3er wärmeleitenden Platte
51 verbunden. Das andere Ende 54 erstreckt sich längs der
unteren Oberfläche des Harzblockes 47, an der die Vorsprünge
52 ausgebildet sind. Die Höhe der VorSprünge 52 wird zuvor
in Abhängigkeit von den Abmessungen des zwischen der Kühlfahne 36 und dem Harzblock 47 nach dem Befestigen der
Kühlfahne durch mechanische Verstemmung gebildeten Spaltes bestimmt. Die vorspringende Höhe wird etwa gleich der Größe
des Spaltes gewählt.
Fig. 14a und 14b zeigen Möglichkeiten der Befestigung der integrierten Schaltung an der Montageplatte 55. Auch wenn
zwischen dem mittleren Teil des Harzblockes 47 und der wärmeleitenden Platte 54 infolge der Verbindung über die
mechanische Klemmstelle oder Verstemmung ein Spalt von etwa 0,5 mm entsteht, werden gemäß Fig. 14a die VorSprünge
oder Füße 52 in Kontakt mit dem wärmeleitenden Teil 54 der Kühlfahne 53 gebracht, so daß eine Wärmeübertragung
möglich ist. Dabei verformt sich der Harzblock 47 nach dem Befestigen der integrierten Schaltung mit Hilfe der
Schrauben 56 und 57 geringfügig, da die Vorsprünge 52,
deren Höhe 0,4 bis 0,5 nun beträgt, angrenzend an die an beiden Enden des Harzblockes 47 angeordneten Einschnitte
zur Aufnahme der Schrauben ausgebildet sind. Demzufolge entstehen in der Oberfläche des Harzblockes und in dem
Zwischenbereich zwischen der mit der Kühlfahne 53 ver-
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bundenen wärmeleitenden Platte 51 und dem Harzblock 47 keine großen Zug- oder Scherbeanspruchungen. Der Harzblock
47 und das darin eingebettete Halbleiterelement werden also vor Beschädigung, Zerstörung oder Ausfall
geschützt.
Auch wenn die Endbereiche der Kühlfahne 53 dünn ausgebildet sind oder infolge der durch die Schrauben 46 ausgeübten
Klemmkraft dünn werden, wird der Harzblock 47 auf den mittleren Bereich der Kühlfahne 53 gepreßt, ohne
daß der Harzblock Biegebeanspruchungen ausgesetzt würde, durch die nach der Befestigung der integrierten Schaltung
auf der Platte Fehler eintreten könnten, weil zwischen den mittleren Bereichen der Kühlfahne 53 und dem
Harzblock 47 ein Spalt besteht (Fig, 14b).
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß weder in dem Harzblock noch in dem vergossenen Halbleiterelement
Fehler auftreten, wenn die integrierte Schaltung erfindungsgemäß befestigt wird. Dies liegt daran, daß
zwischen den mittleren Oberflächenbereichen des Harzblockes und der Kühlfahne ein Spalt gebildet wird, während
in den Bereichen angrenzend an die Klemmschrauben ein enger Kontakt erzielt werden kann. Die elektrischen
Kennwerte der Halbleitervorrichtung werden daher keiner Verschlechterung unterworfen.
Gemäß einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung können
die Umfangsbereiche der Schrauben-Aufnahmeeinschnitte der Kühlfahne mit erhöhter Stärke entsprechend dem durch die
mechanische Verstemmung oder das mechanische Verklemmen gebildeten Spalt ausgeführt werden. Die integrierte
Schaltung muß dann so zusammengebaut werden, daß die mit den abgesetzten Teilen ausgebildete Oberfläche zum Harzblock
hinweist.
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Alternativ kann gemäß Fig. 15 eine Scheibe 58 eingesetzt
und notwendigenfalls mittels eines Klebstoffes befestigt werden, deren Stärke dem zwischen der Kühlfahne 53 und dem
Harzblock 47 durch das mechanische Verklemmen gebildeten
Spalt entspricht.
Eine übermäßig große Stärke der am Harzblock ausgeführten Sitzteile, der in der Kühlfahne ausgebildeten Vorsprünge
oder der Scheibe im Vergleiph zur Größe des Spaltes zwischen Fahne und Harzblock infolge der mechanischen Klemmverbindung
ist nicht vorzuziehen, weil die Oberfläche des Harzblockes an der Seite der Kühlfahne unter der Druckkraft
nach dem Festklemmen zerstört oder beschädigt wird und/oder der Harzblock geneigt wird. Andererseits wird bei
einer übermäßig geringen Stärke der verfolgte Zweck nicht erreicht, so daß infolge der Zug- und Biegebeanspruchungen
Fehler im Harzblock und im Halbleiterelement auftreten. Vorzugsweise ist die Stärke der Sitzbereiche oder -teile
im wesentlichen gleich der des Spaltes.
Durch die Erfindung werden also in Harz vergossene Halbleitervorrichtungen
vor Fehlern des Harzblockes und der Halbleiterelemente geschützt, die durch eine übermäßige
Kraft nach der Befestigung der Vorrichtung auf einer Montageplatte entstehen, so daß die Kennwerte der Vorrichtung
keinerlei Verschlechterung unterworfen sind.
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Claims (16)
1.) Halbleitervorrichtung mit einem Harzvergußteil, einer auf
der unteren Oberfläche des Harzvergußteils angeordneten Kühlplatte, deren Wärmedehnungskoeffizient kleiner ist als
der des Harzkörpers, mit einer Montageplatte zur Befestigung der Kühlplatte an den beiden Enden des Harzkörpers,
mit durch den Harzkörper und die Kühlplatte an den beiden Enden des Harzkörpers hindurchverlaufenden Ausnehmungen,
und mit durch die Ausnehmungen eingeführten Schrauben zur Befestigung der Kühlplatte auf der Montageplatte, dadurch
gekennzeichnet , daß wenigstens in den
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ORIGINAL INSPECTED
Umfangsbereichen der Ausnehmungen (16, 39, 40, 48, 49)
Vorsprünge (17, 24, 17', 52, 58) ausgebildet sind.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (17, 52)
an den Harzkörper (14, 47) angeformt sind (Fig. 3, 13, 14).
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge an die
Kühlplatte (12) angeformt sind.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorsprünge (24) an
die Montageplatte (22) angeformt sind (Fig. 5).
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet
, daß die Vorsprünge aus einzelnen plattenförmigen Teilen (17*, 58) bestehen, die
unabhängig vom Harzkörper (14, 47) und der Kühlplatte (12, 54) sind.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige Teil
aus einer ring- oder ringröhrenförmigen Scheibe (171,
58) besteht (Fig. 6, 15).
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7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das plattenförmige Teil
aus einer rechteckigen Scheibe besteht,
8. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer metallenen Kühlplatte auf einer unteren Oberfläche
eines Harzvergußteils auf einer Montageplatte mittels Schrauben, die durch Ausnehmungen im Harzvergußteil
an dessen beiden Enden ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet , daß zuvor wenigstens
längs Oberflächenbereichen der Ausnehmungen Vorsprünge ausgebildet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge an den Harzvergußteil
angeformt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge an die Kühlplatte
angeformt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge an die Montageplatte
angeformt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorsprünge plattenförmige
Teile verwendet werden, die zwischen Halbleitervor-
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richtung land Montageplatte eingelegt werden.
13. In Harz vergossene Halbleitervorrichtung mit einem
Harzvergußteil, mehreren äußeren Anschlüssen, die parallel zueinander von wenigstens einer Seitenfläche
des Harzkörpers wegragen, mit einer wärmeleitenden Platte zur Wärmeabfuhr, die von einer Seitenfläche des
Harzkörpers wegragt, mit einer Kühlfahne, deren eines Ende mit der wärmeleitenden Platte verbunden ist und
deren anderes Ende längs einer unteren Oberfläche des Harzkörpers verläuft, und mit durch den Harzkörper
und die Kühlfahne an beiden Enden der Halbleitervorrichtung hindurchverlaufenden Ausnehmungen, dadurch
gekennzeichnet , daß die Kühlfahne (53) in engem Kontakt mit dem Harzkörper (47) in der Nähe
der Ausnehmungen (48, 49) gehalten und ein Spalt vorgesehen ist, dessen Größe so bemessen ist, daß eine
gegenseitige Berührung zwischen KUhlfahne und Harzkörper in Bereichen verhindert wird, die sich zwischen
den Ausnehmungen erstrecken (Fig. 13 - 15).
14. Halbleitervorrichtung nach Anspruch I3t dadurch
gekennzeichnet, daß untere Oberflächenbereiche (52) des Harzkörpers (47), wo die Schrauben-Auf
nahmeausnehmungen (48, 49) ausgebildet sind, zur Bildung des Spaltes teilweise zur Kühlfahne (53) hin
vorspringend ausgebildet sind.
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27125A3
15. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet , daß obere Oberflächenbereiche der Kühlfahne (53), wo die Schrauben-Aufnähmeausnehmungen (48, 49) ausgebildet sind, zur Bildung
des Spaltes teilweise zum Harzkörper (47) vorspringend ausgebildet sind.
gekennzeichnet , daß obere Oberflächenbereiche der Kühlfahne (53), wo die Schrauben-Aufnähmeausnehmungen (48, 49) ausgebildet sind, zur Bildung
des Spaltes teilweise zum Harzkörper (47) vorspringend ausgebildet sind.
16. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet , daß zwischen die Kühlplatte (54) und den Harzkörper (47) an Stellen, an
denen die Schrauben-Aufnahmeausnehmungen (48, 49) zur Ausbildung des Spaltes ausgebildet sind, plattenförmige Teile (58) eingesetzt sind (Fig. 15).
gekennzeichnet , daß zwischen die Kühlplatte (54) und den Harzkörper (47) an Stellen, an
denen die Schrauben-Aufnahmeausnehmungen (48, 49) zur Ausbildung des Spaltes ausgebildet sind, plattenförmige Teile (58) eingesetzt sind (Fig. 15).
Beschreibung 709841/0681
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