DE3438435C2 - Gehäuse aus Metall und Kunststoff für eine Halbleiter-Vorrichtung, das zur Befestigung an einem nicht genau ebenen Wärmeableiter geeignet ist, sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Ein typisches Gehäuse für Leistungs-Halbleitervorrichtungen ist unter der Bezeichnung T0-220 bekannt. Dieses hat eine metalli­ sche Platte, die teilweise in einen Körper aus Kunststoff so eingebettet ist, daß eine Hauptfläche frei ist. Eine oder mehre­ re Plättchen aus Halbleitermaterial , die den aktiven Teil der Vorrichtung bilden, sind an der anderen Hauptfläche der Platte in gutem Kontakt mit dieser befestigt, so daß eine Ableitung der während des Betriebes erzeugten Wärme nach außen möglich ist. Steife, metallische Leiter, die die Funktion von Anschluß­ leitungen der Vorrichtung haben, sind mit metallisierten Zonen der Halbleiterplättchen über dünne, metallische Drähte verbun­ den und ebenfalls teilweise in den Kunststoffkörper eingebet­ tet. Der nicht in den Kunststoff eingebettete Teil der Platte weist eine Durchgangsbohrung für die Befestigung mittels einer Schraube oder eines Nietes an einem Wärmeableiter auf. Ein Gehäuse dieser Art ist in der nachveröffentlichten, prioritätsälteren DE 33 43 034 A1 gezeigt.

Wenn diese bekannten Gehäuse auch viele Eigenschaften haben, die im Vergleich zu anderen Gehäusen mit anderem Aufbau vorteil­ haft sind, beispielsweise aufgrund der niedrigen Herstellungsko­ sten, gewährleisten sie jedoch keinen in allen Anwendungsfällen zufriedenstellenden Widerstand gegen mechanische Belastungen. Dieser Nachteil ist im wesentlichen mit den unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften des Metalls und des Kunststoffes verbunden, aus denen die Gehäuse bestehen und die keine ausrei­ chend steife Verankerung des Kunststoffkörpers an der metalli­ schen Platte erlauben. Es ist nämlich bekannt, daß sowohl wäh­ rend einiger Herstellungsphasen des Gehäuses als auch insbeson­ dere im Augenblick der Befestigung der Vorrichtung an einem Wär­ meableiter durch den Benutzer die Gefahr besteht, daß mechani­ sche Belastungen auf das Halbleiterplättchen übertragen werden, wodurch dessen Unversehrtheit beeinträchtigt wird. Dieses Risi­ ko ist insbesondere dann groß, wenn das Gehäuse an einem nicht genau ebenen oder leicht konkaven Wärmeableiter angeschraubt wird.

Bisher sind verschiedene Lösungen für dieses Problem vorgeschla­ gen worden. So wurde beispielsweise versucht, eine Zwischen­ schicht aus einem Werkstoff zu verwenden, der sowohl mit dem Kunststoff als auch mit dem Metall eine gute Haftung hat und ei­ nen großen Elastizitätskoeffizienten aufweist, so daß die unter­ schiedlichen Ausdehnungen der metallischen Platte und des Kunst­ stoffkörpers ausgeglichen und die mechanischen, auf das Halblei­ terplättchen übertragenen Belastungen gedämpft werden. Darüber hinaus wurde die Anwendung von Klammern, Nuten oder Durchgangs­ bohrungen in der metallischen Platte vorgeschlagene um die Ver­ ankerung des Kunststoffkörpers auf der Platte zu verbessern.

Ein Beispiel für eine Verankerung des Kunststoffkörpers an der metallischen Platte mittels in dieser Platte gebildeter Nuten zeigt die bereits erwähnte DE 33 43 034.

Diese Lösungen haben jedoch nicht nur das Herstellungsverfahren erschwert und damit die Kosten des Endproduktes erhöht, sondern sind auch nicht immer zur Lösung des Problemes geeignet.

Aus der US-PS 3,629,672 ist es für ein Transistorgehäuse anderen Typs bekannt, eine auf einen Kühlkörper aufschraubbare metallische Platte des Transistorgehäuses mit Ausnahme einer unteren Hauptfläche der metallischen Platte gänzlich in einen Kunststoffkörper einzubetten. Durch die metallische Platte und den darüber befindlichen Bereich des Kunststoffkörpers erstreckt sich eine Durchgangsöffnung für eine Schraube zum Festschrauben des Transistorgehäuses an einem Kühlkörper. Der den Kunststoffkörper durchsetzende Teil des Befestigungsloches ist mit einem metallischen Ring ausgekleidet, um den Kunststoffkörper von den Druckkräften einer Befestigungsschraube freizuhalten. Zu diesem Zweck ist der die metallische Platte durch­ setzende Teil des Befestigungsloches auf der zum Kunststoffkörper weisenden Hauptfläche mit einer ringförmigen Vertiefung versehen, die den Abmessungen des metallischen Ringes entspricht. Der metallische Ring wird auf die ringförmige Vertiefung aufgelötet.

Aus der US-PS 4,270,138 ist ein Transistorgehäuse mit einer einen Halbleiterchip aufnehmenden und mit einem Befestigungsloch versehenen Kühlplatte bekannt, die teilweise in einen Kunststoffkörper eingebettet ist. Bei einer in dieser Druckschrift gezeigten, gegenüber dieser Druck­ schrift vorbekannten Version eines Transistorgehäuses ist dieser Bereich der Kühlplatte gänzlich in den Kunststoffkörper eingebettet, derart, daß die Unterseite des Kunststoffkörpers auf einer niedrigeren Ebene liegt als die Unterseite der Kühlplatte. Dies kann dadurch ausgeglichen werden, daß ein das Befestigungsloch ringförmig umgebender Bereich der Kühl­ platte um den selben Betrag gegenüber dem restlichen Bereich der Kühlplatte mittels eines Biegevorgangs abgesenkt wird, um welchen die Unterseite des Kunststoffkörpers über den Hauptteil der Unterseite der Kühlplatte hervorsteht. Da dies zu einer entsprechend kleinen Berührungsfläche zwischen der Kühlplatte und einem Kühlkörper, auf den die Kühlplatte aufgeschraubt ist, führt, wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, die Kühlplatte derart in den Kunststoffkörper einzugießen, daß deren Unterseite geringfügig über die Unterseite des Kunststoffkörpers hervorsteht. Für den Fall, daß beim Vorgang des Stanzens der Kühlplatte an deren Umfangsrand ein Grat entsteht, wird vorgeschlagen, den Stanzvorgang zu vorzunehmen, daß der Grat von der auf den Kühlkörper aufzusetzenden Hauptfläche der Kühlplatte absteht. Die von dieser Hauptfläche abstehenden Grate sollen eine Art Dichtung bei dem Vorgang des Anspritzens des Kunststoffkörpers bilden. Dies soll sicherstellen, daß bei dem Anspritzvorgang Kunststoffmaterial auf die freizulassende Unterseite der auf einen Kühlkörper aufzu­ schraubenden Kühlplatte des Transistorgehäuses gelangt.

Ein solcher Grat kann allerdings dazu führen, daß die freiliegende Unterfläche der Wärmeplatte des Transistorgehäuses beim Aufschrauben auf einen Kühlkörper nicht ganzflächig auf dem Kühlkörper aufliegt sondern nur mit ihrem Umfänggrat. Dies führt dann zu einem hohen Wärmewiderstand zwischen der Kühlplatte des Transistorgehäuses und dem Kühlkörper und zu einer entsprechend schlechten Wärmeabfuhr an den Kühlkörper. Dieses Problem wird noch erheblich verschärft, wenn der Kühlkörper keine exakt ebene Auflagefläche für die Kühlplatte auf­ weist sondern uneben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ge­ häuse der eingangs umrissenen Bauart zu schaffen, das wirksam an Wärmeableitern befestigt werden kann, auch wenn diese nicht genau eben sind, sowie ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstel­ lung dieser Gehäuse anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angege­ benen Merkmale gelöst.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel er­ läutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische, vergrößerte Ansicht eines Ge­ häuses der Bauart T0-220, das gemäß der Erfindung aus­ gebildet ist,

Fig. 2a, 2b und 2c in schematischer Darstellung einen Teil einer Schneidmaschine für die Bearbeitung eines Gehäuses der in Fig. 1 gezeigten Bauart während drei Phasen der Herstellung gemäß der Erfindung und

Fig. 3 einen Querschnitt des Gehäuses gemäß der Erfindung, das an einem Wärmeableiter befestigt ist.

Ein in Fig. 1 gezeigtes Gehäuse der Bauart T0-220 hat eine me­ tallische Platte 2, beispielsweise aus Kupfer, mit einer typi­ schen Dicke von etwa 1,5 mm, von der ein Teil in einem Körper 4 aus Kunstharz von etwa 5 mm Dicke eingebettet ist. Ein Plätt­ chen 6 aus Halbleitermaterial, beispielsweise Silicium, das den aktiven Teil der Vorrichtung bildet, ist mit gutem Wärmekontakt an der Platte 2 befestigt. Anschlußleitungen 8 - im Ausführungs­ beispiel drei Anschlußleitungen - sind teilweise in den Körper 4 aus Kunstharz eingebettet und mit dem Plättchen 6 über Verbin­ dungsdrähte 10 verbunden. Eine Durchgangsbohrung 12 in der Plat­ te 2 dient zur Befestigung der Vorrichtung an einem metalli­ schen Wärmeableiter großer Abmessungen. Gemäß der Erfindung hat die Platte 2 um die Bohrung 12 herum einen ringförmigen Bereich 14, der, wenn er auch mit dem übrigen Teil der Platte ein­ stückig ausgebildet ist, aus metallurgischer Sicht von dieser getrennt ist.

Um zur Erzielung des ringförmigen Körpers 14 die metallische Struktur örtlich zu modifizieren, wird die Platte 2, vorzugswei­ se vor den Zusammenbauphasen des Gehäuses und wenn sie noch mit anderen, gleichen Platte, die durch Schneiden aus einem Blech­ streifen erzeugt werden, verbunden ist, drei nacheinander ablau­ fenden, mechanischen Bearbeitungsphasen unterworfen. Bei der er­ sten, in Fig. 2a dargestellten Phase wird die Platte 2 zwi­ schen den ebenen und parallelen Flächen von zwei Klemmblöcken 16 und 18 einer Schneidmaschine angeordnet, die zwei Stempel 20 und 22 aufweist, welche in zugehörigen, koaxialen Zylindern 24 und 26 verschiebbar sind, die in den beiden Blöcken 16 und 18 ausgebildet sind und deren Querschnitt dem Querschnitt des Tei­ les der Platte 2 entspricht, der separiert oder abgesondert werden soll. Der untere Stempel 22 hat eine eine Druckfläche, die parallel zu den einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Blöcke 16 und 18 verläuft. Der obere Stempel 20 endet in einem zu diesem koaxia­ len Stift 28, dessen Querschnitt etwas kleiner als derjenige der Bohrung 12 der Platte 2 und dessen Höhe geringer als die Dicke dieser Platte ist; der obere Stempel 20 weist außerdem eine ringförmige Druckfläche auf, die parallel zu den Oberflä­ chen der beiden Klemmblöcke verläuft. Die Platte 2 wird so posi­ tioniert, daß die Bohrung 12 zentrisch zu den Achsen der Stempel 20 und 22 liegt.

In der zweiten Phase, die in Fig. 2b dargestellt ist, werden die beiden Blöcke 16 und 18 gegen die Platte 2 geschlossen, wo­ bei der untere Stempel 22 bezüglich der Oberfläche des Blockes 18 um einen Betrag abgesenkt ist, der kleiner als die Dicke der Platte 2 ist, beispielsweise halb so groß, während der obere Stempel 20 mit seinem Stift 28 in die Bohrung 12 eingreift. In dieser Phase wird der obere Stempel 20 so abgesenkt, daß seine Druckfläche über die Oberfläche des Blockes 16 um den Betrag der Absenkung des unteren Stempels 22 hervorsteht. In dieser Phase wird von der Platte 2 durch plastische Scherverformung, die im Extremfall bis zur - eventuell nur kurzzeitigen - Trennung gehen kann, ein ringförmiger Bereich abgesondert, der durch die Druckflächen der Stempel 20 und 22 bestimmt ist.

Bei der in der Fig. 2c dargestellten, nachfolgenden Phase wer­ den die beiden Stempel 20 und 22 so bewegt, daß ihre Druckflä­ chen in derselben Ebene wie die einander gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Klemmblöcke 16 und 18 liegen oder nur we­ nig über diese hinausragen. In dieser Phase wird das in der zu vor abgelaufenen Phase abgesonderte Material in seine Ausgangs­ stellung zurückgeführt und dort so verdichtet, daß es ein­ stückig mit dem übrigen Teil der Platte 2 bleibt.

Wie Fig. 3 zeigt, ist ein gemäß der Erfindung hergestelltes Ge­ häuse mittels einer Schraube 30 auf einer Oberfläche eines Wär­ meableiters 32 befestigt, wobei diese Oberfläche nicht, wie es wünschenswert wäre, genau eben ist, sondern leicht konkav. Zur besseren Veranschaulichung ist diese Konkavität in der Zeich­ nung übertrieben dargestellt. Wie Fig. 3 weiter zeigt, neigt der ringförmige Körper 14 bei angezogener Schraube 30 dazu, sich innerhalb der zylindrischen Scherfläche (fließend) zu verschieben, so daß die mechanischen Belastungen, die auf den Rest der Plat­ te 2 übertragen werden, erheblich kleiner als diejenigen sind, die sich einstellen würden, wenn die Platte nicht in der be­ schriebenen Weise bearbeitet worden wäre.

Um diese Wirkung zu erzielen, ist es erforderlich, daß eine Schraube mit einem Kopf verwendet wird, der kleiner als der ringförmige Körper 14 ist. Es ist ferner hervorzuheben, daß die Haftung des ringförmigen Körpers 14 an der Scherfläche auf­ grund der Kompression, die auf das abgesonderte Material in der In Fig. 2c gezeigten Phase ausgeübt worden ist, genügend groß ist, um eine wirkungsvolle Befestigung des Gehäuses am Wärmeab­ leiter zu sichern.

Vorstehend ist lediglich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und dargestellt, das zahlreiche Abänderungen erfah­ ren kann, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. So kann die metallische Platte beispielsweise mehrere Bohrungen für die Be­ festigung an einem Wärmeableiter haben, und der abgesonderte Be­ reich der Platte könnte andere Formen als die dargestellten auf­ weisen.

Claims (3)

1. Gehäuse für Halbleiter-Vorrichtungen mit einer metallischen glatte (2) und einem Kunststoffkörper (4), der einen Teil der Platte (2) einschließt und dabei eine Hauptfläche der Platte (2) frei läßt, die an ihrem nicht in den Kunststoffkörper (4) eingebetteten Teil wenigstens eine Bohrung (12) für den Durchtritt eines Befestigungs­ elementes aufweist, wobei die Bohrung (12) von einem von dem Hauptbereich der Platte (2) strukturmäßig verschiedenen Bereich (14) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der strukturmäßig verschiedene Bereich (14) ein scherver­ formter und danach zurückgeformter Bereich der Platte (2) ist.

2. Gehäuse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der strukturmäßig verschiedene Bereich (14) ein ringförmiger Bereich ist, der einerseits durch eine durch die Wand der Bohrung (12) gebildete Innenzylinderfläche und andererseits durch eine durch die Scherfläche gebildete Außenzylinderfläche gebildet ist.

3. Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Bohrung (12) umgebende strukturmäßig verschiedene Bereich (14) der Platte (2) durch Scherverformung abgesondert und anschließend durch Druck in seine Ausgangsstellung zurückgeführt wird.