DE2348743A1 - Waermeableitendes gehaeuse fuer halbleiterbauelemente - Google Patents

Waermeableitendes gehaeuse fuer halbleiterbauelemente

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DE2348743A1
DE2348743A1 DE19732348743 DE2348743A DE2348743A1 DE 2348743 A1 DE2348743 A1 DE 2348743A1 DE 19732348743 DE19732348743 DE 19732348743 DE 2348743 A DE2348743 A DE 2348743A DE 2348743 A1 DE2348743 A1 DE 2348743A1
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William Bernard Hall
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Description

Dipt.-lng. H. Sauerland ■ Dr.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4dqo Düsseldorf 3D · Cecilienallee 7S · Telefon 43S732
27. September 1973 28 759 B
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
"Wärmeableitendes Gehäuse für Halbleiterbauelemente"
Die Erfindung bezeiht sich auf ein Gehäuse bzw. eine Fassung für Halbleiterbauelemente, z„B. integrierte Schaltungen; insbesondere auf ein Gehäuse für eine integrierte Schaltung, die bei relativ hohen Leistungen betrieben wird.
,Integrierte Schaltungsplättchen wurden bisher in Fassungen bzw. Gehäusen in drei Grundausführungen verkapselt. Bei der einen Ausführung handelt es sich um einen Metallbecher ähnlich dem in herkömmlicher Weise für Einzeltransistoren verwendeten Becher; bei einer anderen Ausführung besteht das Gehäuse aus einer Anordnung von keramischen Elementen. Diese beiden Gehäuseausführungen haben relativ hohe Wirkungsgrade in bezug auf die Wärmeübertragung vom im Gehäuse angeordneten aktiven Halbleiterbauelement nach außen. Sie sind jedoch relativ kostspielig und stellen einen erheblichen Kostenanteil bei der Herstellung des Gesamtprodukts dar.
Bei der dritten Gehäuseausführung sind die integrierten Schaltungsplättchen in polymerem Kunststoffmaterial eingebettet. Diese Ausführung hat sich wegen ihrer
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relativ niedrigen Kosten weitgehend durchgesetzte
Die herkömmliche Herstellung von Kunststoffgehäusen beginnt mit der Ausbildung eines sogenannten Leitbahnrah— mens, der in der Regel aus einer koplanaren Anordnung einer Unterlage für ein Halbleiterbauelement und einer Vielzahl von Leitbahnen besteht, die mit dem Halbleiterbauelement elektrisch verbunden werden können. Sie werden insgesamt in ihren vorgesehenen Relativstellungen mittels verbindenden Metallstreifen, die später entfernt werden, festgehalten. Der Leitbahnröhmen wird gewöhnlich aus einem flachen Metallblatt ausgestanzt» Ein Halbleiterbauelement, z.B. ein integriertes Schaltungschip wird sodann auf der Unterlage aufgebaut und die Verbindungen werden mit Hilfe feiner Drähte zwischen den aktiven Elementen auf dem Chip und den Leitbahnen auf dem Leitbahn— rahmen hergestellt. Diese Anordnung wird sodann in eine Gußform, z.B. eine Übergangsform eingesetzt und polymeres Material zum Vergießen des Chips in die Form gegeben. Nach dem Aushärten des polymeren Materials wird das Gehäuse aus der Gußform entfernt und das überschüssige Material auf dem Leitbahnrahmen abgeschnitten. Die sich ergebenden Leitbahnen können sodann in eine Steckgehäusebeziehung (dual in line relation) gebogen oder "geformt" werden.
In Anwendung auf integrierte Schaltungen ist das nach der zuvor beschriebenen Methode fertiggestellte Gehäuse ein Körper aus polymerem Material in Form eines langgestreckten Prismas, in welchem ein integriertes Schaltungschip auf einer Metallunterlage angebracht ist. Leitbahnen erstrecken sich von zwei rilativ langen Seiten des Körpers aus. Da die polymeren Materialien, die zur Fassung bzw. Halterung für Halbleiterbauelemente verwendet wur-
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den, relativ geringe VTärmeleiteigenschaften besitzen, waren derartige Gehäuse nur. für den Betrieb bei niedrigeren Leistungen geeignet. Dagegen sind sie für viele, gegenwärtig bekannte integrierte Schaltungen ungeeignet, welche bei relativ hohen Leistungen betrieben werden können. Es sind Schaltungen bekannt, die während des Betriebs erhebliche Wärmemengen erzeugen und eine Passung bzw. ein Gehäuse mit einem thermischen Widerstand von weniger als 10° C pro Watt erfordern.
Einige bekannte Kunststoffgehäuse für integrierte Schaltungen weisen Mittel zum Ableiten der Wärme vom Chip auf. Ein solches Gehäuse weist alle zuvor beschriebenen Bauelemente und zusätzlich einen relativ massiven Wärmeleiter auf, der mit der Unterlage für das integrierte Schaltungschip verbunden ist. Im fertigen Gehäuse erstreckt sich dieser Wärmeleiter in der Längsrichtung des Gehäuses und tritt aus einem relativ kurzem Ende des Gehäuses aus. Diese Konstruktion verbessert die thermischen Eigenschaften vorbekannter Kunststoffgehäuse; jedoch erstreckt sich der Wärmeleiter aus den Gehäusen in Richtung einer der längsten und am wenigsten thermisch wirksamen Bahnen. Bei einem anderen te kannten Gehäuse wird Wärme von einem Chip durch einen Wärmeleiter abgezogen, der als Teil des Leitbahnrahmens ausgebildet ist und über einen kurzen Weg aus dem Gehäuse herausgeführt ist. Obwohl dieses Gehäuse für manche Anwendungsfälle zufriedenstellenlist, ist sein thermischer Widerstand für viele Anwendungsfälle noch etwas zu hoch.
Ein bekanntes Kunststoffgehäuse für relativ leistungsstarke Halbleiterbauelemente weist einen im wesentlichen rechteckigen Kunststoffkörper mit einer koplanaren Gruppe von elektrischen Leitbahnen und einem von diesen aus-
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gehenden Wärmeleiter auf. Die elektrischen Leitbahnen gehen von einer der Längsseiten des Körpers aus, und der Wärmeleiter geht von der anderen Längsseite aus. Dieses Gehäuse ist für Bauelemente, wie Transistoren zufriedenstellend, die relativ wenig Leiter bzw. Leitbahnen haben, wäre jedoch ungeeignet flir eine integrierte Schaltung mit einer großen Anzahl dieser zugeordneten elektrischen Leitbahnen0 Die wirksame Ausnutzung des in Gehäusen für integrierte Schaltungen zur Verfügung stehenden Raumes macht es erforderlich, daß die elektrischen Leiter bzw. Leitbahnen von zwei einander gegenüberliegenden Längsseiten des Bauelements ausgehen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gehäuse bzw. eine Fassung für elektrische Halbleiterbauelemente, insbesondere integrierte Schaltungen zu schaffen, das bzw. die die bekannten Gehäuse anhaftenden Nachteile nicht aufweistg
Ausgehend von einem in Kunststoff gefaßten Halbleiterbauelement mit einer Einrichtung zur Ableitung von Wärme aus dem Gehäuseinnem, einem Körper aus prsäLymerem Material, aus dem durch mehrere Seitenflächen eine Vielzahl von Leitungen mit im Körperinnern und außerhalb des Körpers verlaufenden Abschnitten herausgeführt ist, ferner mit einem wärmeleitenden Bolzen, der aus einer im wesentlichen rechtwinklig zu den Seitenflächen verlaufenden Körperoberfläche austritt, und einem im Körperinneren angeordneten Halbleiterplättchen, das thermisch mit dem wärmeleitenden Bolzen und elektrisch mit den Leitungen gekoppelt ist, schlägt die Erfindung zur. Lösung dieser Aufgabe vor, daß der wärmeleitende Bolzen im Inneren des Körpers gelegene Abschnitte und außerhalb des Körpers gelegene Abschnitte sowie eine ihn im
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Körper halternde Verankerungsvorrichtung aufweist.
Anhand der Zeichnung, in der vorteilhafte Ausführungsformen dargestellt sind, wird die Erfindung nachfolgend erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht in Richtung der Linie 1-1 der Fig. 2 einer Ausführungsform des neuen Gehäuses;
Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Gehäuses gemäß Fig. 1;
Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 der Fig. 1;
Fig. 4 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform des neuen Gehäuses;
Fig. 5 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform des neuen Gehäuses; und
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Form, in der einige Elemente einer vierten Ausführungsform des neuen Gehäuses eingesetzt sind.
Beispiel I
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gehäuses bzw. der Fassung für eine integrierte Schaltung ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Das Gehäuse 10 weist einen Körper 12'aus polymerem Material, z.B. aus gießfähigem Epoxyharz mit zwei Seitenflächen 14 und 16, einer Deckfläche 18 und einer Bodenfläche 20 auf. In herkömmlicher Weise sind die Seitenflächen 14 und- 16 von den Deck- und Bodenflächen 18 und 20 aus leicht nach außen geneigt, um das Entfernen des Gehäuses 10 aus der Gießform des Körpers 12 zu erleichtern. Im übrigen ist der Körper 12 jedoch im wesentlichen in Form eines rechtwinkligen Prismas ausgeführt, wobei die Deck- und Bodenflächen etwa rechtwinklig zu den Seitenflächen verlaufen.
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Mehrere elektrische Leitungen bzw» Leitbahnen 22 treten durch die Seitenflächen 14 und 16 aus dem Körper 12 aus und weisen Abschnitte 24 (Fig. 1) auf, die im Inneren des Körpers parallel zu einer im wesentlichen normal zu den Flächen 14 und 16 verlaufenden Ebene angeordnet sind. Die Leitungen bzw. Leitbahnen 22 können Bestandteil eines herkömmlichen Leitbahnrahmens bilden. Außerdem ist im Inneren des Körpers 12 eine Chip-Unterlage 30 angeordnet, welche ähnlich den Leitungen 22 Teil eines Leitbahnrahmens sein kann. Ein Halbleiterplättchen bzw. -chip ist auf der Unterlage 30 derart angebracht, daß es mit dieser, in thermischer Kopplung steht. Zu diesem Zwefek kann es auf die Unterlage 30 aufgelötet oder mittels eines wärmeleitenden Klebstoffs auf der Unterlage 30 befestigt sein. Drähte 34 verbinden die aktiven Schaltungselemente auf dem Chip 32 mit den Leitungen 22.
Ein wärmeleitender Bolzen 36, d.h. ein vorspringender Zapfen oder Ansatz, der vorzugsweise die Form eines geraden Zylinders mit im Vergleich zu den Abmessungen des Gehäuses relativ großem Durchmesser hat, ist mit dem Chip 32 thermisch gekoppelt. Der Bolzen 36 kann beispielsweise auf der dem Chip 32 entgegengesetzten Seite der Unterlage 30 aufgelötet sein. Der Bolzen 36 weist einen im Inneren des Körpers 12 gelegenen Abschnitt 38 und einen außerhalb des Körpers 12 gelegenen Abschnitt 40 auf. Die Achse des Bolzens 36 verläuft im wesentlichen normal zur Ebene der Leitungsabschnitte 24 und zur Unterlage 30 im Inneren des Körpers 12, so daß der Bolzen aus der Eckseite 18 des Körpers 12 im wesentlichen senkrecht austritt.
Es ist eine Vorrichtung zum Haltern bzw. Verankern des Bolzens 36 im Körper 12 vorgesehen. Bei der Ausführungs-
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form gemäß Fig. 1 und 2 besteht die Verankerungsvorrichtung aus mehreren seitlichen Abflachungen 42, die an den im Körperinneren gelegenen Abschnitt 38 des Bolzens 36 ausgebildet sind. Nach der Ausbildung des Körpers 12 umgibt der vergossene Kunststoff die seitlichen Abflachungen 42 und legt den Bolzen 36 nach der Aushärtung gegen eine Drehbewegung innerhalb des Körpers 12 fest. Außerdem ist der Bolzen 36 fest an der Unterlage 30 angebracht, und die Abflachungen 42 legen Teile 43 der Oberfläche der Unterlage 30 frei. Diese Anordnung gewährleistet eine feste Verankerung bzw. Halterung des Bolzens 36, die diesen gegen Herausziehen aus dem Körper 12 sichert.
Als Mittel zum Abführen der Wärem von dem Bolzen 36 können besondere Vorrichtungen vorgesehen sein. So kann beispielsweise ein mit radialen Rippen versehener Radiator 44 an dem Abschnitt 40 des Bolzens 36 verlötet oder im Preßsitz befestigt sein. Andere Ausführungsformen von Kühlkörpern, z.B. Konvektionskühlkörper, können ebenfalls verwendet werden.
Beispiel II
In Figur 4 ist mit 50 eine zweite Ausführungsform des neuen Gehäuses bezeichnet. Das Gehäuse 50 weist einen Körper 52 aus polymerem Material, ähnlich dem Körper des Gehäuses 10, Leitungen 54, eine Chip-Unterlage 56, ein Chip 58 und Drähte 60 auf, die insgesamt in derselben Weise wie die entsprechenden Elemente im Gehäuse angeordnet sind.
Das Gehäuse 50 weist einen wärmeleitenden Bolzen 62 in Form eines geraden Zylinders, ähnlich dem Bolzen 36, auf( Der Bolzen 62 unterscheidet sich jedoch in zweifacher Hinsicht vom Bolzen 36» Einerseits weist der Bolzen
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anstelle der Abflachungen als Ankervorrichtung einen zylindrischen Flansch 64 in demjenigen Abschnitt auf, der im Körper 52 liegt. Andererseits ist der außerhalb des Körpers 52 gelegene Abschnitt des Bolzens 62 mit einem Gewindeabschnitt 66 versehen, der die Anbringung eines Kühlkörpers am Gehäuse erleichtert.
Beispiel III
Fig. 5 zeigt bei 67 eine dritte Ausführungsform des Gehäuses, die mit Ausnahme der Ausbildung des Bolzens 68 dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht. Bei dieser Ausführungsform findet eine andere Verankerungsvorrichtung Verwendung, d.h. der Bolzen 68 hat wenigstens eine Ringnut in seinem innerhalb des Körpers gelegenen Abschnitt.
Beispiel IV
Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Gehäuses und stellt schematisch ein bauliches Merkmal des Gehäuses dar, das letzteres insbesondere zur Herstellung in herkömmlichen Gießvorrichtungen geeignet machto Die in" der Fig. 6 dargestellten Elemente dieses Gehäuses sind mit dem Bezugszeichen 70 versehen; sie sind ähnlich den entsprechenden Elementen der anderen Ausführungsformen, mit der Ausnahme, daß in der Darstellung der ursprüngliche flache Leitbahnrahmen 71 gezeigt ist. Ein Bolzen 72 besitzt bei dieser Ausführungsform eine andere Art der Verankerung. Als Verankerung ist eine flache, längliche Platte 74 vorgesehen, die an demjenigen Abschnitt des Bolzens 72 angebracht ist, der sich im Inneren des Kunststoffkörpers des Gehäuses nach dessen Fertigstellung befindet. Die Längsseite der Platte verläuft in derselben Richtung wie der Körper, wodurch die mechanische Stabilität der Verankerung vergrößert und die Widerstands-
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fähigkeit gegenüber auf den äißeren Abschnitt des Bolzens 72 einwirkenden mechanischen Biegekräften erhöht wird.
Die beschriebenen Teile werden in eine herkömmliche Gießvorrichtung 76 eingesetzt, die zwei zusammengesetzte, einen Hohlraum 82 bildende Gießformhälften 78 und 80 aufweist. Ein Einguß 84 in der Formhälfte 78 steht mit dem Hohlraum 82 in Verbindung. Eine zylindrische Bohrung 86 in der Formhälfte 80 steht ebenfalls mit dem Formhohlraum 82 in Verbindung. Bei herkömmlichen Vorrichtungen ist ein Ausstoßdorn 88 vorgesehen, der axial in der Bohrung 86 verschoben werden kann, um ein Fertigprodukt aus der Form nach ihrem öffnen auszustoßen. Die Relativlage des Bolzens 72 zu anderen Teilen des Gehäuses und der Durchmesser des Bolzens 72 sind so gewählt, daß letzterer in die Bohrung 86 ..featt eingreift, wenn die Form geschlossen wird. Auf diese Weise bedarf es keiner Ausrichtung in den Formen zur Anpassung des jeweils neuen Gehäuses.
In den abschließenden Herstellungsstufen dieses Gehäuses werden Gehäuseelemente 70 in die Form 76 derart eingesetzt, daß der Bolzen 72 in die Bohrung 86 eingreift, worauf die Form geschlossen wird. Sodann wird Kunststoffmaterial in den Einguß 84 zur Ausbildung des Gehäusekörpers eingeleitet. Sobald der Kunststoff ausgehärtet ist, wird die Form geöffnet und der Ausstoßdorn 88 gegen den Bolzen 72 gedrückt, um das Gehäuse aus der Form auszustoßen. Sodann können herkömmliche Maßnahmen des Beschneides des Leitbahnrahmens und des Formens der Leitbahnen bzw. Leiter vorgenommen werden, um das Gehäuse fertigzustellen. Sofern ein Radiator oder ein anderer Kühlkörper am Gehäuse vorgesehen ist, kann dieser zu diesem Zeitpunkt angebracht werden.
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Das neue Gehäuse weist einen wirksamen Mechanismus zum Ableiten der Wärme aus dem Kunststoffgehäuse auf und kann eine Wärmeabfuhr von mehr als 1 Watt pro 10° C bewirken. Das Gehäuse kann ohne Änderung in herkömmlichen Gießvorrichtungen hergestellt werden.
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Claims (8)

  1. RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)
    Patentansprüche;
    n einem Kunststoffgehäuse gefaßtes Halbleiterbauelement mit einer Einrichtung zur Ableitung von Wärme aus dem Gehäuseinneren, einem Körper aus polymerem Material, aus dem durch mehrere Seitenflächen eine Vielzahl von Leitungen mit im Körperinneren und außerhalb des Körpers verlaufenden Abschnitten herausgeführt ist, ferner mit einem wärmeleitenden Bolzen, der aus einer im wesentlichen rechtwinklig zu den Seitenflächen verlaufenden Körperoberfläche austritt, und einem im Körperinneren angeordneten Halbleiterplättchen, das thermisch mit dem wäremleitenden Bolzen und elektrisch mit den Leitungen gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeleitende Bolzen (36, 62, 68, 72) im Inneren des Körpers (12) gelegene Abschnitte (38) und außerhalb des Körpers gelegene Abschnitte (AO) sowie eine ihn im Körper halternde Verankerungsvorrichtung (42, 64, 69, 74) aufweist.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der im Inneren des Körpers (12) befindliche Teil (24) jeder der Leitungen (22, 52) parallel zu einer vorgegebenen Ebene verläuft und der Bolzen (36, 62, 68, 72) im wesentlichen die Form eines geraden Zylinders hat, dessen Achse im wesentlichen normal zu der vorgegebenen Ebene verläuft.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch
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    gekennzeichnet, daß der Bolzen (68) im wesentlichen in Form eines geraden Zylinders ausgebildet ist, und daß zur Verankerung des Bolzens eine Ringnut (69) in der Oberfläche des im Körperinneren gelegenen Bolzenabschnitts ausgebildet ist.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen im wesentlichen in Form eines geraden Zylinders ausgebildet ist und als Ankervorrichtung ein zylindrischer Flansch (64) an dem im Körperinneren gelegenen Abschnitt des Bolzens vorgesehen ist.
  5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper (12) länglich ist und die Verankerungsvorrichtung eine flache, längliche Platte (74) aufweist, die an dem im Körperinneren gelegenen Abschnitt des Bolzens (72) angebracht und so angeordnet ist, daß ihre Längsseite in derselben Richtung wie diejenige des Körpers (12) verläuft.
  6. 6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichn et , daß ein Kühlkörper (44) mit dem außerhalb des Körpers (12) gelegenen Abschnitt (40) des Bolzens (36) thermisch gekoppelt ist»
  7. 7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der polymere Körper (12) in einem Hohlraum (82) einer zweiteiligen Gießform (76) herstellbar ist, wobei ein Teil (80) der Gießform eine mit dem Hohlraum (82) in Verbindung stehende zylindrische Bohrung (86) aufweist, die zur Aufnahme eines Ausstoßdoras (88) zum Ausstoßen des Gehäuses (70) aus dem Hohlraum (82) nach Beendigung des Gießvorgangs geeignet ist, und daß der Bolzen (72) zylindrisch ausge-
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    bildet ist und einen kleineren Durchmesser als die Bohrung (86) hat, so daß der Bolzen (72) während des Gießvorgangs in die Bohrung (86) eingreifen kann.
  8. 8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchmesser des Bolzens (72) so gewählt ist, daß dieser satt in die Bohrung (86) eingreift.
    40981 5/0851
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