DE1589862A1 - Gehaeuse fuer Halbleiterbauelemente - Google Patents

Gehaeuse fuer Halbleiterbauelemente

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Description

Paricsixaßö 1.3
' 5340
General Electric Company, Schenectady U.Y./USA Gehäuse für Halbleiterbauelemente
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente mit einem Halbleiterkörper, der in ein Kunststoffmaterial eingekapselt und auf einer Trägerplatte aus Kunststoff befestigt ist, durch die die an den Kontaktflächen des Halbleiterkörpers befestigten Zuleitungen nach außen geführt und von der die Zuleitungen auf Abstand gehalten sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf solche Materialien für die Kapsel und die Trägerplatte, die im Dauerbetrieb Außentemperaturen bis zu 20O0G vertragen und auch unter extremen Bedingungen feuchtigkeitsdicht sind.
In Halbleiterbauelementen wie z.B. Transistoren sind die •Halbleiterkörper bekanntlich häufig auf einem Metallkörper befestigt, der entweder allein oder zum Teil als elektrische Zuleitung für eine der aktiven Zonen des Halbleiterkörpers, also z.B. für den Emitter, die Basis oder den Kollektor eines Transistors, verwendet wird. Mit den anderen funktionswichtigen Zonen des Halbleiterkörpers sind ebenfalls elektrische Leitungen, wie beispielsweise Drähte oder andere leitende Bauteile, verbunden, an die entweder weitere, nach außen führende, elektrische Zuleitungen angeschlossen oder die selbst als nach außen führende Zuleitungen ausgebildet sind. Die nach außen führenden Zuleitungen ragen durch eine Trägerplatte aus einem elektrisch isolierenden
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Kunststoff, z.B. einem harzförmigen Material. Die Trägerplatte dient sowohl vor als auch nach Fertigstellung des Halbleiterbauelementes als Träger, Abstandshalter und Richtungsgeber für die Zuleitungen. Ein aus dem Halbleiterkörper und mindestens einem Teil der daran befestigten elektrischen Leitungen bestehender Teil des Halbleiterbauelementes wird durch Gießen oder Pressen mit einem geeigneten, elektrisch isolierenden Material, z.B. einer wärmehärtbaren Kunstharzzusammensetzung, umgeben, das an eine der Breitseiten der Trägerplatte angrenzt.
Die elektrisch aktiven Zonen des Halbleiterkörpers in derartigen Halbleiterbauelementen sind häufig mindestens teilweise durch eine direkt vom Halbleitermaterial getragene Schutzschicht, bei Verwendung von SilidumkÖrpern beispielsweise durch eine dünne Schicht aus einem Oxid des Siliciums, gegen Verunreinigung durch Feuchtigkeit und andere äußere Fremdstoffe geschützt. Darüber hinaus sorgt das Gehäuse aus Kapsel und Trägerplatte für einen zusätzlichen dauerhaften Schutz gegen mechanische und thermische Belastungen, chemische Angriffe oder dergleichen und macht das Halbleiterbauelement derart stabil, daß beim späteren Behandeln, Verpacken, Transportieren und Verwenden keine Beschädigungen zu befürchten sind. - -
Ein Nachteil derartiger Halbleiterbauelemente besteht jedoch darin, daß beim Dauerbetrieb in extern feuchten Atmosphären Feuchtigkeit durch das Kapselmaterial und die Trägerplatte dringt, was unerwünschte elektrische Leckströme und andere schädliche Einflüsse auf die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelementes zur Folge hat. Es hat sich außerdem gezeigt, daß das
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Problem der Wasserdurchlässigkeit auch dann nicht befriedigend gelbst werden kann, wenn man das Kapselmaterial allein verbessert, ohne gleichzeitig in entsprechender Weise die Feuchtigkeitsdurchlässigkeit der Trägerplatte zu verringern. Man hat in Betracht gezogen, dieses Problem dadurch zu beseitigen, daß man die Trägerplatte vollständig wegläßt. Da der Vorteil der Trägerplatte jedoch insbesondere darin besteht, daß durch sie die Zuleitungen während der Fabrikation gestützt und orientiert gehalten werden, würde das Weglassen der Trägerplatte auch Nachteile mit sich bringen. Ein weiteres Problem besteht darin, daß \ es für eine billige Fabrikation der Trägerplattenanordnung, d.h. der Trägerplatte selbst und dir durch sie geführten Zuleitungen notwendig ist, für die Trägerplatte ein Material zu verwenden, das eine andere Zusammensetzung als das Kapselmaterial für den Halbleiterkörper aufweist. Aus diesen Gründen ist es sehr schwer, eine zufriedenstellende Kombination aus Trägerplattenmaterialien und Kapselmaterialien zu finden, die einerseits gut miteinander verträglich sind und andererseits die gewünschte Feuchtigkeit sundiKhlässigkeit und Temperaturstabilität aufweisen.
Der Erfindung liegt aus diesem Grunde die Aufgabe zugrunde, g Halbleiterbauelemente der beschriebenen Art mit einem Gehäuse aus einer geeigneten Kombination von Kapselmaterial und Trägerplattenmaterial zu umgeben , das auch beim Dauerbetrieb in Atmosphären bis zu 100$ relativer Feuchtigkeit außerordentlich feuchtigkeitsdicht ist.
Ausgehend von einem Gehäuse für Halbleiterbauelemente mit einem Halbleiterkörper, mit dessen Kontaktflächen metallische Zuleitungen elektrisch verbunden sind, bestehend aus einer
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Trägerplatte, durch die die Zuleitungen nach außen geführt und von der die Zuleitungen gestützt und auf Abstand gehalten sind, und aus einer den Halbleiterkörper und einen Teil der Zuleitungen umgebenden Kapsel, die an eine Breitseite der Trägerplatte angrenzt, besteht nach der Erfindung die Trägerplatte aus einer Epoxydharzzusammensetzung, die ein Epoxydharz mit einem Epoxydharzäquivalentgewicht von 220 bis 250 und einen Füllstoff aus einem elektrisch isolierenden Material enthält. Die Kapsel besteht bevorzugt aus einer Espoxydharzzusammensetzung, die ein Novolac-Epoxydharz mit einem Epoxydäquivalentgewicht von 175 bis 182 und 50 bis 75 Gew.^ eines Füllstoffs aus einem körnigen, elektrisch isolierenden Material enthält.
Die Epoxydharzzusammensetzung der Trägerplatte besteht bevorzugt zu 50 bis 75 Gew.^ aus Füllstoff, der insbesondere eine Mischung von körnige-n Siliciumdioxid mit Glasfasern sein kann.
Die Erfindung wird nun auch anhand der beiliegenden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.
Die Fig. 1. ist ein Schnitt durch einen Halbleiterkörper,
Die Fig. 2 ist eine Seitenansicht auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper nach der Fig. 1 während einer Zwischenstufe der Fabrikation.
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Die Fig. 3 zeigt perspektivisch, ein fertiges Halbleiterbauelement nach der Erfindung.
Die Pig. 4 ist ein Schnitt durch ein Halbleiterbauelement nach der Pig. 3.
Der Transistor nach der Pig. 1 enthält einen elektrisch aktiven Halbleiterkörper 2, der beispielsweise aus einer 0,13 bis 0,20 mm (5 - 8 mils) dicken und 0,06 bis 0,26
2
mm (100- 400 qmils) großen Siliciumscheibe besteht.
Der Halbleiterkörper besitzt mehrere elektrisch aktive g
Zonen, z.B. einen Kollektor 4, eine Basis 6 und einen Emitter 8, Der Halbleiterkörper kann, beispielsweise durch Diffusion, mit geeigneten Verunreinigungen dotiert sein, damit die Basis 6 den entgegengesetzten Iieitungstyp wie der Emitter 8 und der Kollektor 4 erhält und zwei PH-Übergänge 10 und 12 entstehen. Der Halbleiterkörper kann beispielsweise einen Kollektor 4 aus BT-leitendem Silicium, eine durch Diffusion mit bespielsweise Bor gleitend gemachte Basis 6 und einen durch Eindiffusion von beispielsweise Phosphor in die Basis M-leitend gemachten Emitter 8 enthalten. Die Basis und der Emitter sind mit leitenden Überzügen aus beispielswese Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall bzw. me- f tallischem Material überzogen, so daß nichtgleichrichtende Kontakte. 16 und 18 entstehen, die die Befestigung von Zuleitungen erleichtern. Auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers sind zwischen den Kontakten 16 und 18 für den Emitter und die Basis und an denjenigen Stellen, an denen die Übergänge 10 und 12 an die Oberfläche des Halbleiterkörpers treten, Schutzschichten 19 aus Isoliermaterial vorgesehen, die, wenn es sich wie hier um einen
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Siliciumkörper handelt, zweckmäßigerweise aus einem Oxid des Siliciums bestehen.
Der Halbleiterkörper ist auf einem Stützkörper 20 befestigt, der beispielsweise aus einem 1,3 mm (50 mils) breiten und 0,13 bis 0,85 mm (5 bis 10 mils) dicken Kovar- oder Stahlstreifen bestehen kann. Die den Kontakten 16 und 18 für die Basis und den Emitter gegenüberliegende Breitseite des Halbleiterkörpers ist mit dem Stützkörper 20 durch Löten oder Schweißen dauerhaft und leitend verbunden, wodurch ein nichtgleichrichtender, leitender Kontakt hergestellt ist. Damit der Halbleiterkörper leichter an dem Stützkörper befestigt werden kann, kann als Lot zwischen dem Stützkörper 20 und dem HalbleitejKJrper 2 eine metallene Zwischenschicht aus beispielsweise Gold oder dotiertem Gold verwendet werden, wobei ate Dotierungsmaterial eine Verunreinigung gewählt ist, die den gleichen Leitungstyp vermittelt, die der Kollektor besitzt.
An dem Emitterkontakt 18 des Halbleiterkörpers ist mit nichtgleichrichtendem elektrischem Kontakt das eine Ende einer Emitterzuleitung 26 dauerhaft befestigt, die beispielsweise aus einem 0,0006 mm ( 1 qmil) starken Draht aus Gold oder einem anderen geeigneten Metall besteht. In ähnlicher Weise ist mit dem Basiskontakt 16 eine Basiszuleitung 28 dauerhaft verbunden.
Der Stützkörper 20 ist durch eine Lötstelle 22 mechanisch und elektrisch leitend an einem mittleren Stempel 34 einer Trägerplattenanordnung 30 befestigt, die eine scheibenf örrage Trägerplatte 31 aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff
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enthält, durch die der mittlere Stempel 34 ragt. In ähnlicher Weise ragen durch die Trägerplatte 31 Seitenstempel 32 und 36, an denen mittels Lötstellen 38 und 39 die Emitterzuleitung und die BaBlezuleitung 28 befestigt stid. Die Trägerplatte 31 dient als Stütze zum Aufrechterhalten des Abstandes und der gegenseitigen Lage der drei Stempel 32, 34 und 36, die die nach außen führenden Zuleitungen sind.
Die Trägerplatte 31 besteht aus einem Trägerplattenmaterial, das erfihdungsgemäß eine Epoxydharzzusammensetzung ist, die Epoxydharz enthält, das zu etwa 50 Gewichtsprozent mit einem die thermische Leitfähigkeit verbessernden Material gefüllt ist, das aus körnigem Siliciumdioxid und Glasfasern besteht. Die Epoxydharzzusammensetzung enthält ein Epoxydharz mit einem Epoxydäquivalentgewicht von etwa 220 bis 250 und einem Erweichungspunkt von etwa Duran 104,40C (2200P). Die Siliciumdioxidteilchen sind vorzugsweise kugelförmig wie beispielsweise beim Novacit-rSiliciumdioxid. Insbesondere die Glasfasern erhöhen die thermische Leitfähigkeit derEpoxydverbindung. Sie besitzen vorzugsweise eine Länge von etwa 0,75 mm (o,o3 Zoll) und einen Durchmesser von etwa o,13 mm (o,oo5 Zoll). Die Epoxyäzusaininensetzung kann zweckmäßigerweise als granulierte Pormaasse verwendet werden. Das Epoxydharz ist mit einem Säureanhydrid-Härtemittel vernetzt. Zum Beschleunigen des Härtens des Trägerplattenharzes wird ein Katalysator verwendet, der vorzugsweise einen äußerst geringen Ämingehalt aufweist, damit die Bildung von Amoniumhydroxid in Gegenwart von Wasser Möglichst klein gehalten wird.
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Bei der Anwendung des Trägerplattenmaterials erhitzt man die granulierte Formmasse auf etwa 290-35O0C, um sie in ein viskoses Medium umzuwandeln, und legt sie anschließen durch ein geeignetes Verfahren, z.B. Formpressen oder Preßspritzen, in der erwünschten Weise um die Zuleitungen 32, 34 und 36.
Nach ausreichendem Härten in der Form bei einer Temperatur von 290-35O0C für etwa eine Minute, ist die geformte Trägerplatte ausreichend warmfest, so daß die Trägerplattenanordnung ohne Beschädigung aus der Form herausgenommen werden kann. Nach dem Herausnehmen aus der
Form kann das Aushärten der Trägerplatte dadurch beschlennigt werden, daß man sie einige Stunden bei einer Temperatur von etwa 2000C ausheizt.
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Der Halbleiterkörper 2 und der an ihn grenzende Teil der Zuleitungen werden in einem elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Material 50 eingekapselt. Bei Verwendung des oben beschriebenen Trägerplattenmaterials besteht erfindungsgeroäß ein bevorzugtes Kapselmaterial aus einem unmodifizierten Epoxydharz mit einem Epoxydaquivalentgewicht von etwa 175, einem Erweichungspunkt von etwa 210° C, einer,, Viskosität von etwa 30000 bis 90000 Zentipoise bei 52° G und einem spezifischen Gewicht von etwa 1,22. Das Material 50 ist mit einer Härtemittelmischung vernetzt, die aus Hadicmethylanhy*drid (C10 H10 0,) und Hexahydrophthalanhydrid (CqH10O,) besteht. Zum Beschleunigen des Härtens wird ein Katalysator verwendet, der vorzugsweise keine Amine aufweist, damit die Bildung von Ammoniumhydroxid in Gegenwart von Wasser möglichst klein ist. Bevorzugt wird ein Katalysator, der Zinkoctoat und Triphenylphosphit enthält. Durch Zugabe eines geeigneten Farbmittels, z.B. schwarzes Pigmentpulver, kann das Kapselmaterial im Bedarfsfall undurchsichtig gemacht werden. Zur Erhöhung der thermischen !leitfähigkeit und zur Verringerung der für ein gegebenes Volumen benötigten Harzmenge kann das Kapselmaterial außerdem einen chemisch inaktiven, elektrisch isolierenden Füllstoff aus einem körnigen Material, z.B. pulverförmiges Aluminiumoxid, enthalten, das vorzugsweise blättchen- oder plattchenförmige Partikel aufweist.
Ein bevorzugtes Kapaelmaterial 50 besitzt die in del· Spalte A der folgenden Tabelle angegebene Zusammensetzung:
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- ίο -
Novolac-Epoxydharz 15-20 - 55-65
(D. E. N. 438)
Härtemittel, Nadicmethyl-
anhydrid 1,2-1,8 4-6
Härtemittel, Hexahydrophthal-
säureanhydrid . 8-11 28-37
Katalysatormischung,
Argus DB VIII 0,8-1,0 2,8-3,4
™. Füllstoff, blättchenförmiges
Aluminiumoxid
T-61 50-75
Farbmittel, ■
Ferro F-6331- 0,5-1,5
Ein Kapselmaterial mit bevorzugter Zusammensetzung kann auf die folgende Weise hergestellt werden:
^i Schritt^
17,1 Gev/ichtsteile des Novolac-Epoxydharz es, der mindestens W 2 Stunden lang auf 105° C vorerwärmt worden ist, werden in einen geeigneten Behälter, z.B. einen Topf aus rostfreiem Stahl oder einen zum Wegwerfen "bestimmten Papierbehälter gegeben.
Dem Harz werden 0,9 Gewichtsteile des Katalysators Argus DB VIII zugegeben.
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_ 11 -
Die genannten beiden Bestandteile werden bei einer Temperatur von 105° C so lange (z.B. einige Minuten) vermischt, bis eine innige Mischung sichergestellt ist.
Der fertigen Mischung werden 1,5 Gewichtsteile des HärtemittelsNadicmethylanhydrld zugegeben.
Es werden 9/5 Gewichtsteile des Härtemittels Hexahydrophthalsäureanhydrid zugegeben.
Die genannten Bestandteile werden bei einer Temperatur von 105° G so lange (beispielsweise einige Minuten) vermischt, bis eine innige Mischung sichergestellt ist.
7. Schritt:
"v: ■■■■■■■ ■■■ ■■■.
Der fertigen Mischung werden ty) Gewicht st eil'.des Pigments F-6331 und'"-JO Gewichts teile des aus blatt chenförmigem Aluminiumoxid bestehenden Püllstoffes T-61 zugegeben, der vorher beispielsweise durch mindestens 16-stündiges Trocknen an der Luft bei 105° C geeignet entwässert worden ist.
Me genannten Bestandteile werden innig vermischt
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Die fertige Mischung ist eine viskose Flüssigkeit, die sofort in eine Form gebracht werden oder für den späteren Gebrauch dadurch konserviert werden kann, daß sie zum Verzögern des Hartwerdens auf eine Temperatur von -20,6° C (-5° F) abgekühlt wird, bei der die Mischung eine Lebensdauer von mindestens 3 Monaten besitzt.
Ein anderes Kapselmaterial, welches keinen Füllstoff und je nach Bedarf gefärbt ist oder nicht, kann durch Anwendung der ersten sechs der obengenannten acht Verfahrensschritte dadurch hergestellt werden, daß man die Bestandteile gemäß der Spalte B der obigen Tabelle verwendet:
Das Kapselmaterial 50 kann zum Einkapseln eines Halbleiterkörpers und seiner Zuleitungen beispielsweise auf die folgende Weise angewendet werden:
Eine geeignete Form, die beispielsweise aus Siliconkautschuk besteht, wird mindestens 20 Minuten lang bei einer Temperatur von beispielsweise 125° C vorerwärmt.
Eine geeignete Menge des ungehärteten Epoxydmaterials, dessen Zusammensetzung oben angegeben ist, wird so lange vorerwärmt, bis es gleichförmig eine Temperatur von etwa 125° C aufweist.
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Das Halbleiterbauelement, das eingekapselt werden soll, wird in die Form gelegt. Anschließend wird die Form vollständig mit den» vorerwärmten Kapselmaterial gefüllt.
Das Kapselmaterial wird in der Form eine Zeitlang, z.B. etwa 1 bis 2,5 Stunden bei einer Temperatur von etwa 125° G gehärtet, bis es ausreichend geliert ist und bis der Inhalt ■ der Form ohne Beschädigung der Form oder des geformten Gegenstandes aus der Form genommen werden kann. Im Bedarfsfall kann man während dieses ersten Härteschrittes ein Vakuum auf das Einkapselmaterial wirken lassen, um eingefangene Luft oder andere Blasen abzusaugen.
Das Halbleiterbauelement mit dem teilweise gehärteten Kapselmaterial wird aus der Form genommen.
Die Härtung des Kapselmaterials wird nach dem Herausnehmen aus der Form vollendet, indem man das Kapselmaterial etwa 16- Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 180 und 230 C ausheizt.
Zur Erhöhung der Maximaltemperatur, bis zu der das Kapselmaterial noch stabil ist, stellt man zweckmäßigerweise während des abschließenden Härteschrittes so hohe Tempera-
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turen ein, wie es gerade noch möglich ist, ohne das Kapselmaterial 50 schädlich zu beeinflussen. Die abschließenden Härtetemperaturen können bis zu 230° C betragen.
Beide Kapselmaterialien 50, deren Zusammensetzungen in den Spalten A und B der obigen Tabelle angegeben sind, können je nach Bedarf durch bekannte Preßspritzverfahren aufgebracht werden, indem man das Kapselmaterial zunächst nach dem oben angegebenen Verfahren herstellt, die sich ergebende Zusammensetzung anschließend gelieren läßt, ohne dabei die Polymerisationstemperaturen zu überschreiten, und anschließend die sich ergebende feste Masse in eine fein zerteilte oder körnige Form bringt, die für die bekannten Preßspritzverfahren und die hierfür benötigten Ausrüstungsgegenstände geeignet ist.
Die besonderen Vorteile eines Halbleiterbauelementes mit einer Trägerplatte 31 und einem Kapselmaterial 50 gemäß der Erfindung im Vergleich zu Halbleiterbauelementen mit den bekannten Kunststoffkapseln bestehen beispielsweise darin, daß die Leckströme, d.h. die Rückwärtsströme Iq-po durcn Kollektorübergang, selbst dann nur außerordentlich wenig zunehmen, wenn man Transistoren gemäß der Fig. 4 5000 Stunden lang bei einer Temperatur von 40° C in einer Atmosphäre mit einer relativen Feuchtigkeit von 100 # im nichteingeschalteten Zustand lagert. Nach dem Einschalten eines in dieser Art gelagerten Transistors ergibt sich beispielsweise ein Leckstrom IGES von nur etwa 0,06 Nanoamperes bei einer Spannung von 20 Volt zwischen dem Kollektor und dem mit der Basis kurzgeschlossenen Emitter. Dies bedeutet, nahezu keine Zunahme gegenüber dem ursprünglichen Leckstrom. Wenn man dagegen Transistoren mit den bisher bekannten Kunststoffkapseln unter ähnlichen Bedingungen
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lagert, dann ergeben sich um 4 bis 5 Größenordnungen größere Leckströme .-tnge-· Obgleich somit einerseits der Vorteil niedrigerer Fabrikationskosten, der die Halbleiterbauelemente mit Kunststoffkapseln für den Verbraucher so attraktiv macht, erhalten bleibt, sind die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente andererseits weitaus besser für den Gebrauch bei hohen Außentemperaturen geeignet und weitaus widerstandsfähiger gegen Feuchtigkeitsdurchlaß, wie es für viele industrielle und militärische Verwendungszwecke notwendig ist.
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Claims (4)

- T6 - Pat ent ans ρ rüche
1. Gehäuse für Halbleiterbauelemente mit einem Halbleiterkörper, mit dessen Kontaktflächen metallische Zuleitungen elektrisch verbunden sind, bestehend βμβ einer Trägerplatte, durch die die Zuleitungen nach außen geführt und von der die Zuleitungen gestützt und auf Abstand gehalten sind, und mit einer den Halbleiterkörper und einen Teil der Zuleitungen umgebenden Kapsel, die an eine Breitseite der Trägerplatte angrenzt, dadurch gekennzeichnet , daß die- Trägerplatte (31) aus einer Epoxydharzzusammensetzung besteht, die ein Epoxydharz mit einem Epoxydäquivalentgewicht von 220 bis 250 und einen Füllstoff aus einem elektrisch isolierenden Material enthält.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kapsel (50) aus einer Epoxyd— ,. harzzusammensetzung besteht, die ein Npvolac-Epoxydharz mit ' einem Epoxydäquivalentgewicht von 175 bis 182 und 50 bis 75 Gew. $> eines Füllstoffs aus einem körnigen, elektrisch,;;; isolierenden Material enthält. - - \ $>—»»Λ.
3. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch g e k e η.ή zeich n. e t , daß die Epoxydharzzusammensetzung der Trägerplatte zu 50 bis 75 Gew. <?σ aus Füllstoff besteht.
4. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,, daß der Füllstoff eine Mischung von körnigem Siliciumdioxid nrit Glasfasern ist.
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