DE102008049460A1 - Switching arrangement has component housing, which has rigid housing wall, and housing inner space, where electrical component is arranged in housing inner space - Google Patents

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Abstract

The switching arrangement (1) has component housing (3), which has a rigid housing wall (4), and a housing inner space (5). An electrical component (2) is arranged in the housing inner space, and has an electrical circuit (11). The component is provided for electric insulation with an encapsulation compound (6) provided with elastomer material. The elastomer material is expanded in an expansion range (7). The elastomer material has a plastic selected from the group of silicone and polyurethane. The component is provided as a semiconductor component with silicon carbide. An independent claim is included for a method for manufacturing a switching arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Bauelement-Gehäuse, in dem ein elektrisches Bauelement angeordnet ist. Daneben wird ein Verfahren zum Herstellen der Schaltungsanordnung angegeben.The The invention relates to a circuit arrangement with a component housing, in an electrical component is arranged. Next to it is a A method for producing the circuit arrangement specified.

In der Packaging-Technologie (Verkapselung von elektrischen Bauelementen) werden vielfach elastische Materialien (Elastomere, Elastomer-Materialien) für einen Verguss von Bauelementen eingesetzt, beispielsweise Halbleiterchips. Die Bauelemente werden vergossen. Dabei bedecken die Elastomer-Materialien zumindest einen Teil einer Bauelement-Oberfläche und umhüllen auch eventuell vorhandene elektrische Zuleitungen, zum Beispiel Bonddrähte.In the packaging technology (encapsulation of electrical components) are often elastic materials (elastomers, elastomer materials) for one Potting used by devices, such as semiconductor chips. The components are shed. The elastomeric materials cover at least a part of a component surface and wrap any existing electrical leads, for example, bonding wires.

Die Elastomer-Materialien werden unter anderem hinsichtlich ihrer chemischen und thermischen Stabilität und geforderter elektrischer Eigenschaften ausgewählt. Die elektrische Eigenschaft betrifft beispielsweise eine Durchschlagsfestigkeit des Elastomer-Materials. Als Elastomer-Materialien für den Verguss von elektrischen Bauelementen haben sich Silikone bewährt.The Elastomer materials are used, among other things, in terms of their chemical and thermal stability and required electrical properties. The electrical property relates, for example, a dielectric strength of the elastomeric material. As elastomeric materials for potting of electrical components, silicones have proven themselves.

Die mit dem Elastomer-Material vergossenen Bauelemente sind oftmals im Gehäuse-Innenraum eines Bauelement-Gehäuses mit starrer Gehäuse-Wandung angeordnet. Die starre Gehäuse-Wandung ist beispielsweise aus einem thermoplastischen oder auch duroplastischen Kunststoff. Die starre Gehäuse-Wandung ist von Vorteil, da die Elastomer-Materialien geringen mechanischen Schutz für das Bauelement bieten.The Components cast with the elastomeric material are often in the housing interior a component housing with rigid housing wall arranged. The rigid housing wall is, for example made of a thermoplastic or thermosetting plastic. The rigid housing wall is advantageous because the elastomeric materials have low mechanical protection for the Component offer.

In der Regel wird das Elastomer-Material vollständig durch die äußere, starre Gehäuse-Wandung eingeschlossen. Da sich die verwendeten Elastomer-Materialien oftmals durch einen sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auszeichnet (bis zu 450 ppm/K) und weitgehend inkompressibel sind, kommt es bei einer Temperaturbelastung der gesamten Schaltungsanordnung zu einer deutlichen Erhöhung eines Innendrucks im Gehäuse-Innenraum. Dies kann zu einem Totalausfall durch Rissbildung in der Gehäuse-Wandung des Bauelement-Gehäuse führen. Ein Riss bildet sich dabei bevorzugt an einer elektrischen Durchführung durch die Gehäuse-Wandung. Die elektrische Durchführung wird beispielsweise von einem Leadframe (Leiterrahmen) zur elektrischen Kontaktierung des Bauelements gebildet.In Usually, the elastomer material is completely sealed by the outer, rigid Housing wall locked in. Since the elastomer materials used often characterized by a very high thermal expansion coefficient (to to 450 ppm / K) and are largely incompressible, it comes in a Temperature load on the entire circuit to a significant increase in a Internal pressure in the housing interior. This can lead to a total failure due to cracking in the housing wall of the component housing to lead. A crack preferably forms on an electrical feedthrough the housing wall. The electrical implementation For example, from a leadframe (lead frame) to the electrical Contacting the device formed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, aufzuzeigen, wie bei einer Schaltungsanordnung, das ein mit einem Elastomer-Material vergossenes Bauelement aufweist, die eingangs beschriebenen, temperaturbedingten mechanischen Belastungen reduziert werden, ohne dass auf die hervorragenden Eigenschaften eines Vergusses mit dem Elastomer-Material verzichtet werden müsste.task The present invention is therefore to show, as in a Circuitry that potted with an elastomeric material Component having the above-described, temperature-related mechanical loads are reduced without affecting the outstanding Properties of a casting with the elastomeric material omitted would have to be.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schaltungsanordnung mit einem Bauelement-Gehäuse angegeben, das eine starre Gehäuse-Wandung, einen von der Gehäuse-Wandung begrenzten Gehäuse-Innenraum und mindestens ein im Gehäuse-Innenraum angeordnetes elektrisches Bauelement einer elektrischen Schaltung aufweist. Das Bauelement ist zur elektrischen Isolierung mit einer mindestens ein Elastomer-Material aufweisenden Verguss-Masse vergossen. Darüber hinaus ist ein Expansions-Bereich vorhanden, in den das Elastomer-Material expandieren kann. Die Elastomer-Materialien zeichnen sich durch einen Elastizitäts-Modul von 0,5 MPa bis 50 MPa aus. Mit einem Elastizitäts-Modul aus diesem Bereich werden die Elastomer-Materialien als ”weich” bezeichnet.to solution the object specifies a circuit arrangement with a component housing, the one rigid housing wall, one of the housing wall limited housing interior and at least one in the housing interior arranged electrical component of an electrical circuit having. The device is for electrical insulation with a Poured at least one elastomeric material having potting compound. About that In addition, there is an expansion area in which the elastomeric material can expand. The elastomer materials are characterized by a modulus of elasticity of 0.5 MPa to 50 MPa. With a modulus of elasticity from this range become the elastomer materials referred to as "soft".

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen der Schaltungsanordnung mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Anordnen des Bauelements im Bauelement-Gehäuse und b) Einbringen des Elastomer-Materials in das Bauelement- Gehäuse, so dass die Verguss-Masse und der Expansions-Bereich entstehen.to solution The object is also a method for producing the circuit arrangement indicated by the following method steps: a) arranging the component in the component housing and b) introducing the elastomeric material into the component housing, so that the potting mass and the expansion area arise.

Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, einen Bereich zu schaffen, in den das Elastomer-Material (beispielsweise bei Temperaturerhöhung) expandieren kann. Somit ist gewährleistet, dass innerhalb des Bauelement-Gehäuses keine oder nur unwesentliche mechanische Belastungen auftreten, die durch die Expansion des Elastomer-Materials verursacht sein könnten. Es bildet sich im Gehäuse-Innenraum kein Druck aus, der auf das Bauelement-Gehäuse wirken könnte. Damit ist die Wahrscheinlichkeit zur Bildung eines Risses deutlich reduziert, insbesondere die Wahrscheinlichkeit zur Bildung eines Risses im Bereich elektrischer Durchführungen.The basic idea of the invention is to create an area too create, in which the elastomeric material (for example, increase in temperature) expand can. This ensures that within the component housing no or only insignificant mechanical loads occur which may be caused by the expansion of the elastomeric material could. It forms in the housing interior no pressure that could act on the component housing. In order to the probability of forming a crack is significantly reduced in particular the probability of forming a crack in the Range of electrical feedthroughs.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist das Elastomer-Material zumindest einen aus der Gruppe Silikon und Polyurethan ausgewählten Kunststoff auf. Diese Kunststoffe weisen Eigenschaften auf, die in der Packaging-Technologie besonders vorteilhaft sind. Insbesondere zeichnen sich diese Kunststoffe durch eine hohe Durchschlagfestigkeit aus. Aufgrund der vorliegenden Erfindung kann weiterhin auf diese bewährten Materialien zurückgegriffen werden. Dabei eignen sich Silikone besonders für Anwendungen in höheren Temperaturbereichen (über 100°C).According to one special embodiment, the elastomeric material at least one of the group Silicone and polyurethane selected plastic on. These plastics have properties used in packaging technology are particularly advantageous. In particular, these plastics are distinguished by a high dielectric strength. Due to the present Invention can also resort to these proven materials become. Silicones are particularly suitable for applications in higher temperature ranges (over 100 ° C).

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Expansions-Bereich von einer Gehäuse-Ausnehmung in der Gehäuse-Wandung gebildet. In diese Gehäuse-Ausnehmung kann das Elastomer-Material expandieren. Die Gehäuse-Ausnehmung ist ein Loch in der Gehäuse-Wandung. Das Loch kann dabei ein Sack-Loch oder ein Durchgangs-Loch sein.According to a particular embodiment of the invention, the expansion region of a Ge housing recess formed in the housing wall. In this housing recess, the elastomeric material can expand. The housing recess is a hole in the housing wall. The hole can be a blind hole or a through hole.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Expansions-Bereich innerhalb des Gehäuse-Innenraums angeordnet. Die Expansion des Elastomer-Materials kann innerhalb des Bauelement-Gehäuses stattfinden. Der Expansions-Bereich wird beispielsweise von einem oder mehreren elastischen Schaum-Elementen (Elastomer-Schaum) aus einem Silikon-Schaum gebildet. Es kommt zu keiner oder nur zu einer geringen mechanischen Belastung der Gehäuse-Wandung.In In another embodiment, the expansion area is within of the housing interior arranged. The expansion of the elastomer material can be within take place of the component housing. For example, the expansion area is one or more elastic foam elements (elastomeric foam) made of a silicone foam educated. There is no or only a slight mechanical Load on the housing wall.

Der im Gehäuse-Innenraum eingebrachte Elastomer-Schaum kann ohne zusätzliche Funktion für die gesamte Schaltungsanordnung ausgelegt sein. Vorteilhaft ist es aber, die chemischen und/oder elektrischen Eigenschaften des Elastomer-Schaums im Hinblick auf die elektrische Schaltung auszunutzen.Of the in the housing interior introduced elastomer foam can without additional function for the whole Circuit arrangement be designed. It is advantageous, however, the chemical and / or electrical properties of the elastomeric foam in the Take advantage of the electrical circuit.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist daher der Expansions-Bereich von der Verguss-Masse gebildet. Die Verguss-Masse weist den Expansions-Bereich auf. Dies bedeutet, dass die Verguss-Masse selbst kompressibel ausgestaltet ist. Die Verguss-Masse dient nicht nur der elektrischen Isolierung des Bauelements, sondern auch der Reduzierung eines eventuell auftretenden Innendrucks im Gehäuse-Innenraum. Vorzugsweise ist dabei der Expansions-Bereich von einer Vielzahl von Hohlräumen gebildet, die in der Verguss-Masse verteilt sind. Die Hohlräume weisen insbesondere kleine Durchmesser auf. Darüber hinaus sind die Hohlräume gleichmäßig in der Verguss-Masse verteilt, um unerwünschte Fließbewegungen in der Verguss-Masse zu verhindern. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist dazu die Verguss-Masse einen Elastomer-Schaum auf. Die Hohlräume sind dabei von Poren des Elastomer-Schaums gebildet. Dazu wird beispielsweise ein Ausgangsmaterial eines Elastomer-Materials verwendet, das bei der Vernetzung zum Elastomer-Material Gasblasen und damit die Poren bildet. Aus prozesstechnischen Gründen und auch aus Kostengründen eignet sich hier Silikon besonders. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist daher der Elastomer-Schaum einen Silikon-Schaum auf.According to one special embodiment is therefore the expansion area of the Potting compound formed. The potting compound indicates the expansion area on. This means that the potting compound itself designed to be compressible is. The potting compound is not just for electrical insulation of the component, but also the reduction of any occurring Internal pressure in the housing interior. Preferably, the expansion area is of a plurality formed by cavities, which are distributed in the potting mass. The cavities point especially small diameter. In addition, the cavities are even in the Potting compound distributed to unwanted flowage in the potting mass too prevent. According to one special design, this has the potting compound an elastomeric foam on. The cavities are formed by pores of the elastomer foam. This is for example a starting material of an elastomeric material used in the cross-linking to the elastomer material gas bubbles and thus the pores forms. For process-technical reasons and also for cost reasons is suitable Here is silicone especially. According to one special embodiment, therefore, the elastomeric foam has a Silicone foam on.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die Hohlräume von Hohlkugeln mit einer Elastomer-Umhüllung gebildet, die in der Verguss-Masse verteilt sind. Dadurch, dass die Umhüllung der Hohlkugeln aus Elastomer-Material besteht, sind diese Hohlkugeln kompressibel. Somit fungieren die Hohlkugeln als Expan sions-Bereich, in den das Elastomer-Material der Verguss-Masse expandieren kann.In a further embodiment, the cavities of hollow spheres with a Elastomer envelope formed, which are distributed in the potting mass. As a result of that the serving the hollow balls made of elastomeric material, these are hollow spheres compressible. Thus, the hollow spheres act as an expansion region, in which the elastomeric material of the potting compound can expand.

Als Bauelemente sind beliebige Bauelemente denkbar, die zum Schutz vor mechanischer Belastung oder zur elektrischen Isolierung mit einem Elastomer-Material vergossen werden. Vorzugsweise ist die Erfindung für Bauelemente geeignet, die im Betrieb oder durch Umgebungsbedingungen eine bestimmte Temperaturerhöhung erfahren und gleichzeitig hohe Ansprüche an die Spannungsfestigekit des Vergussmaterials stellen. Solche Bauelemente sind beispielsweise Halbleiterbauelemente. Insbesondere ist die Erfindung für Halbleiterbauelemente aus Silizium-Carbid geeignet. Bei solchen Bauelementen treten hohe Temperaturen auf, die zu einer entsprechend hohen Expansion des umgebenden Elastomer-Materials führen können. Besonders bei Hochvoltschaltern (1 bis 10 kV) aus Silizium-Carbid (SiC) ist gleichzeitig eine sehr hohe Durchschlagfestigkeit der den Chip umgebenden Vergussmasse wichtig.When Components are any components conceivable that protect against mechanical stress or for electrical insulation with one Elastomer material to be potted. Preferably, the invention for components suitable in operation or by ambient conditions a specific temperature increase experience and at the same time high demands on the voltage stabilization kit of the potting material. Such components are for example Semiconductor devices. In particular, the invention is for semiconductor devices made of silicon carbide. With such components occur high Temperatures, resulting in a correspondingly high expansion of the surrounding elastomeric material can. Especially with high-voltage switches (1 to 10 kV) made of silicon carbide (SiC) is at the same time a very high dielectric strength of the encapsulation compound surrounding the chip is important.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.Based several embodiments and the associated Figures, the invention is described in more detail below. The figures are schematic and do not represent true to scale illustrations represents.

Die 1 bis 3 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung jeweils in einem seitlichen Querschnitt.The 1 to 3 show embodiments of the invention in each case in a lateral cross-section.

Basis der Ausführungsbeispiele ist eine Schaltungsanordnung 1 mit einer elektrischen Schaltung 11 in Form eines Silizium-Carbid-Hochvolt-Schalters. Das Bauelement 3 ist ein Silizium-Carbid-Chip mit Gehäuse. Der Silizium-Carbid-Chip ist im Gehäuse-Innenraum 5 angeordnet, der von einer starren Gehäuse-Wandung 4 des Bauelement-Gehäuses 3 umgeben ist. Die Gehäuse-Wandung ist aus einem thermoplastischen Kunststoff.Basis of the embodiments is a circuit arrangement 1 with an electrical circuit 11 in the form of a silicon carbide high-voltage switch. The component 3 is a silicon carbide chip with housing. The silicon carbide chip is in the housing interior 5 arranged by a rigid housing wall 4 of the component housing 3 is surrounded. The housing wall is made of a thermoplastic material.

Zur elektrischen Isolierung ist der Silizium-Carbid-Chip 3 mit einer Verguss-Masse 6 vergossen. Die Verguss-Masse weist ein Elastomer-Material in Form eines Silikons auf. Die elektrische Kontaktierung des Bauelements erfolgt über ein Leadframe 12, das durch die Gehäuse-Wandung 4 hindurch verlegt ist.For electrical insulation is the silicon carbide chip 3 with a potting compound 6 shed. The potting compound has an elastomeric material in the form of a silicone. The electrical contacting of the device takes place via a leadframe 12 passing through the housing wall 4 through.

In der Schaltungsanordnung ist ein Expansions-Bereich 7 vorgesehen, in den das Elastomer-Material der Verguss-Masse expandieren kann.In the circuit arrangement is an expansion area 7 provided, in which the elastomeric material of the potting compound can expand.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist im Gehäuse-Innenraum Silikonschaum angeordnet (1). Dieser Silikonschaum fungiert lediglich als Expansions-Bereich. Der Silikonschaum ist kompressibel.According to a first embodiment, silicone foam is arranged in the housing interior ( 1 ). This silicone foam acts only as an expansion area. The silicone foam is compressible.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Verguss-Masse ein Silikonschaum (2). Die Verguss-Masse selbst weist den Expansions-Bereich auf.According to a further embodiment, the potting compound is a silicone foam ( 2 ). The potting compound itself has the expansion area.

Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist in der äußeren, starren Gehäuse-Wandung 4 eine Gehäuse-Ausnehmung 11 vorhanden (3). Über diese Gehäuse-Ausnehmung kann ein Ausgangsmaterial des Elastomer-Materials eingefüllt werden. Das Einfüllen des Elastomer-Materials erfolgt durch Gießen oder durch Spritzguss. Anschließend wird das Elastomer-Material vernetzt. Es bildet sich die Verguss-Masse. Die Gehäuse-Ausnehmung dient nicht nur dem Befüllen des Gehäuse-Innenraums mit dem Elastomer-Material. Die Gehäuse-Ausnehmung fungiert auch als Expansions-Bereich, in des das Elastomer-Material expandieren kann.According to a third embodiment is in the outer, rigid housing wall 4 a housing recess 11 available ( 3 ). About this housing recess, a starting material of the elastomeric material can be filled. The filling of the elastomeric material is carried out by casting or by injection molding. Subsequently, the elastomer material is crosslinked. It forms the potting compound. The housing recess serves not only to fill the housing interior with the elastomeric material. The housing recess also acts as an expansion area in which the elastomeric material can expand.

Eine weiteres, nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel sieht ein teilweises Vergießen des Innenraums mit dem Elastomer-Material vor. Der Gehäuse-Innenraum wird nur zum Teil befällt. Aus dem nicht befüllten Teil des Gehäuse-Innenraums resultiert auch ein Expansions-Bereich, in den das Elastomer-Material expandieren kann.A another, not shown embodiment sees a partial Shed the interior with the elastomeric material in front. The housing interior is only partly affected. From the unfilled Part of the housing interior also results in an expansion area in which expand the elastomer material can.

Claims (11)

Schaltungsanordnung (1) mit einem Bauelement-Gehäuse (3), das – eine starre Gehäuse-Wandung (4), – einen von der Gehäuse-Wandung begrenzten Gehäuse-Innenraum (5) und – mindestens ein im Gehäuse-Innenraum angeordnetes elektrisches Bauelement (2) einer elektrischen Schaltung (11) aufweist, wobei – das Bauelement zur elektrischen Isolierung mit einer mindestens ein Elastomer-Material aufweisenden Verguss-Masse (6) vergossen ist und – ein Expansions-Bereich (7) vorhanden ist, in den das Elastomer-Material expandieren kann.Circuit arrangement ( 1 ) with a component housing ( 3 ), which - a rigid housing wall ( 4 ), - A limited housing wall of the housing interior ( 5 ) and - at least one in the housing interior arranged electrical component ( 2 ) an electrical circuit ( 11 ), wherein - the component for electrical insulation with a at least one elastomeric material having potting compound ( 6 ) and - an expansion area ( 7 ), into which the elastomeric material can expand. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Elastomer-Material zumindest einen aus der Gruppe Silikon und Polyurethan ausgewählten Kunststoff aufweist.Circuit arrangement according to claim 1, wherein the elastomeric material at least one selected from the group of silicone and polyurethane plastic having. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Expansions-Bereich von einer Gehäuse-Ausnehmung (11) in der Gehäuse-Wandung gebildet ist.Circuit arrangement according to claim 1 or 2, wherein the expansion region of a housing recess ( 11 ) is formed in the housing wall. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Expansions-Bereich innerhalb des Gehäuse-Innenraums angeordnet ist.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, wherein the expansion area within the housing interior is arranged. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei die Verguss-Masse den Expansions-Bereich aufweist.Circuit arrangement according to claim 4, wherein the potting compound the expansion area having. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, wobei der Expansions-Bereich von einer Vielzahl von Hohlräumen gebildet ist, die in der Verguss-Masse verteilt sind.Circuit arrangement according to claim 5, wherein the expansion region of a Variety of cavities is formed, which are distributed in the potting mass. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, wobei die Verguss-Masse einen Elastomer-Schaum aufweist und die Hohlräume von Poren des Elastomer-Schaums gebildet sind.Circuit arrangement according to claim 6, wherein the potting compound is an elastomeric foam has and the cavities formed by pores of the elastomeric foam. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, wobei der Elastomer-Schaum einen Silikon-Schaum aufweist.Circuitry according to claim 7, wherein the elastomer foam comprises a silicone foam having. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Hohlräume von Hohl-Kugeln mit einer Elastomer-Umhüllung gebildet sind.Circuit arrangement according to one of claims 6 to 8, the cavities of hollow spheres with an elastomer sheath are formed. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Bauelement ein Halbleiter-Bauelement mit Silizium-Carbid aufweist.Circuit arrangement according to one of claims 1 to 9, wherein the device comprises a semiconductor device with silicon carbide. Verfahren zum Herstellen der Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit folgenden Verfahrensschritten: a) Anordnen des Bauelements im Bauelement-Gehäuse und b) Einbringen des Elastomer-Materials in das Bauelement-Gehäuse, so dass die Verguss-Masse und der Expansions-Bereich entstehen.Method for producing the circuit arrangement according to one of the claims 1 to 10 with the following process steps: a) arranging the Component in the component housing and b) introducing the elastomeric material into the component housing, so that the potting mass and the expansion area arise.
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