DE2758890B2 - Halbleitervorrichtung mit thermischer Sicherung - Google Patents

Halbleitervorrichtung mit thermischer Sicherung

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Yoshiaki Kawasaki Saitoh (Japan)
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Halbleiterbauelement ist z. B. aus der US-PS 35 31 850 bekannt
Bei Halbleitervorrichtungen mit einem Abschnitt mit hohem Stromverbrauch, etwa bei diskreten Leistungstransistoren und integrierten Schaltkreisen oder integrierten Großschaltungen für Leistungsverstärker sind aktive und passive Elemente eines Halbleiterplättchens über innere Zuleitungen innerhalb der Kapselung getrennt mit äußeren Anschlüssen bzw. Klemmen verbunden. Bei dieser Art von Halbleitervorrichtungen ist der Halbleiterchip auf einem Metall-Tragelement montiert, von dem ein Teil als innere Zuleitung benutzt werden kann.
Die CH-PS 2 23 414 beschreibt einen Sperrschicht-Gleichrichter aus mehreren nebeneinander auf einem Träger angeordneten Gleichrichterzellen, von denen jede über einen als Schmelzsicherung ausgebildeten Draht mit einem gemeinsamen Anschluß verbunden ist. Durch diese Ausbildung nach dem Stand der Technik soll erreicht werden, daß bei Ausfall einer einzelnen Gleichrichterzelle der zugehörige Sicherungsdraht durchschmilzt, ohne daß der Gleichrichter insgesamt funktionstüchtig wird. Dabei wird weder auf die besonderen Probleme bei in Vergußmassen verkapselten Halbleiterelementen eingegangen, noch wird die Verwendung eines als Schmelzsicherung ausgebildeten Drahtes für vergossene Halbleiterbauelemente angeregt
Aus der US-PS 35 31 856 zum Beispiel ist ein mittels einer thermoplastischen Vergußmiisse gekapseltes ι Halbleiterbauelement bekannt, dessen Halbleiterplättchen auf einem metallischen Träger angeordnet und bei dem die übrigen Elektroden durch dünne Zuleitungsdrähte mit aus der Vergußmasse herausgeführten Anschlüssen verbunden ist
ίο Die bekannte Konstruktion ist jedoch noch mit einem Mangel behaftet, wenn nämlich bei einem Halbleiterbauelement ein großer Strom von der Leistungs(verstärker)schaltung in das Halbleiterplättchen fließt Dieser große Strom führt zu einer übermäßigen
π Erwärmung des Halbleiterplättchens und der Zuleitungen. Durch die dabei entwickelte Wärme kann das als Vergußmasse dienende Kunstharz verkohlt werden und schließlich zu einem Brand führen. Eine Untersuchung der erwähnten Brandursachen
>o führte zu den folgenden Ergebnissen. Bei Verwendung von Leistungsverstärkern mit eingekapseltem Leistungstransistor mit einem Kollektor-Strombedarf in der Größenordnung von 3 Watt und vergossenen integrierten Schaltkreisen für Audio-Leistungsverstärker mit einer Nenn-Ausgangsleistung von 3,5 Watt als Prüflinge wurde mit einem Kurzschluß zwischen dem Ausgangskreis und .dem Massekreis eine Untersuchung an 300 Proben entsprechend der jeweiligen Speisespannungen im Bereich von 12J5 bis 17,5 Volt Gleichstrom
JO durchgeführt Bei diesen Proben trat ungefähr zwei Sekunden nach d«n Kurzschluß eine Flammenbildung mit 40 bis 50 mm hoher Flamme auf, die nach dem Trennen der Proben von der Stromversorgung noch einige Sekunden andauerte. Als Ergebnis von an den
v, Proben durchgeführten Untersuchungen zeigte es sich, daß das Vergußmassenkunstharz an den mit der jeweiligen inneren Zuleitung in Berührung stehenden Bereichen verkohlt worden war. Hieraus ließ sich der Schluß ziehen, daß dann, wenn die innere Zuleitung
durch einen Überstrom unterbrochen wird, ein Strom durch den verkohlten Bereich fließen kann und diesen dabei als Heizelement wirken läßt, wodurch die
Flammenbildung begünstigt wird. Wenn andererseits die mechanische Belastung oder
Beanspruchung nach dem Vergießen in der Kunstharzmasse erhalten bleibt, wird durch einen Überstromfluß keine Flammenbildung hervorgerufen, obgleich sich dabei eine durch die Wärmeerzeugung zu diesem Zeitpunkt hervorgerufene Expansionsspannung mit der
so Restspannung kombinieren und zu einem Aufbrechen und Zerplatzen der Kunstharz-Vergußmasse führen kann. Obgleich die durch einen solchen Bruch hervorgerufenen Störungen im Vergleich zu einer Brandentstehung unbedeutend sind, sind sie dennoch nachteilig, weil die weggeschleuderten Bruchstücke des Kunstharzes möglicherweise zu einer Beschädigung umgebender elektronischer Komponenten führen können.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Halbleiterbauelements mit einer thermischen Sicherung bzw. Schmelzsicherung, mit welcher bei geringen Kosten fir die Kapselung der Vorrichtung eine Flammenbildung oder ein Zerplatzen infolge irgendwelcher Störungen, wie überhitzung infolge eines Oberfl1; Stroms, in der Halbleitervorrichtung verhindert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.
An mindestens einem Abschnitt der Zuleitung zwischen dein Halbleiterplättchen und dem äußeren Anschluß haftet ein elektrisch isolierendes, weiches Material an, während als Vergußmasse für das Halbleiterplättchen, die Zuleitung und dieses weiche Isoliermaterial eine elektrisch isolierende Vergußmasse verwendet wird, die einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als das weiche Material. Bei dieser Konstruktion wird eine thermische Sicherung bzw. Schmelzsicherung durch die Kombination aus dem Vergußmassen-Kunstharz, dem in diesem Kunstharz enthaltenen weichen Material und der in letzteres eingebetteten dünnen Zuleitung gebildet Auf diese Weise kann die Kapselung der Vorrichtung mit geringen Kosten und mit einfacher Konstruktion sicher vor einer Flammenbildung oder einem Zerplatzen aufgrund einer Überhitzung durch einen Oberstrom geschützt werden.
Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt
Fig. 1 eine vergossene Halbleitervorrichtung gernäß einer Ausführungsfonn der Erfindung,
Fig.2 einen in weiter vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt durch das weiche Isoliermaterial mit eingebetteter Zuleitung, die durch Überhitzung und Spannungsbeanspruchung unterbrochen worden ist
Gemäß F i g. 1 ist ein Halbleiterplättchen 12 mit einer darauf ausgebildeten Transistorkonstruktion oder elektrischen Schaltkreisanordnung mit Hilfe eines Lötmit- so tels oder eines Klebmittels in Form eines leitfähigen Epoxyklebers auf einem Tragelement 10 montiert. Vorbestimmte Elektrodenabschnitte 22 auf dem Halbleiterplättchen 12 sind jeweils mittels dünner innerer Zuleitungen 24 mit äußeren Klemmen oder Anschlüssen 16 verbunden. Jeder Elektrodenabschnitt besteht aus einer aufgedampften Aluminiumschicht, die mit einem vorbestimmten Abschnitt des Halbleiterplättchens 12 in ohmschem Kontakt steht Für die Zuleitungen 24 können dünne Gold- oder Aluminiumdrähte oder aber ->o dünne Metalldrähte verwendet werden, die mit Gold oder Aluminium überzogen sind und üblicherweise einen Durchmesser von 25 bis 100 μπι besitzen. Jede Zuleitung 24 ist elektrisch mit der Aluminiumschicht des betreffenden Elektrodenabschnitts 22 und einem vorbe- *5 stimmten Teil jedes äußeren Anschlusses 16 verbunden.
Die Zuleitungen 24 werden jeweils üblicherweise in einem gebogenen bzw. gekrümmten Zustand gemäß Fig. 1 angeschlossen, obgleich sie, je nach der Art des Anschlußwerkzeuges, t»ch in praktisch geradlinigem w Zustand angeschlossen werden können. Anschließend wird ein Stück weichen elektrischen Isoliermaterials 26 praktisch an einem Mittelteil jeder Zuleitung 24 angebracht Dieses Isoliermaterial 26 muß dabei den folgenden Anforderungen genügen: Dieses Isoliermaterial muß einmal einen verhältnismäßig kleinen Wärniedehnungskoeffizienten und elektrische Isoliereigenschaften besitzen und es darf zum anderen weder die Ausdehnung noch die Kontraktion der im Inneren des Isoliermaterialstücks 26 angeordneten Zuleitung 24, d. h. die Zusammenballung oder Klumpenbildung des durchgeschmolzenen Teils der Zuleitung infolge ihrer Oberflächenspannung beim Durchschmelzen dieser Zuleitung 24, verhindern, und es darf auch keine Stoffe abgeben, welche das Halbleiterplättchen 12 im Normal- ω betrieb ungünstig beeinflussen können. Werkstoffe, die diesen Anforderungen genügen, umfassen neben SiIikoneummi bzw. -kautschuk Zweikomoonenten-Misch· gummis und -lacke, obgleich der Silikongummi bevorzugt wird, weil er leichter zu verarbeiten ist Da dieser Silikongummi vor seiner Verfestigung in flüssigem Zustand vorliegt, kann das Anbringen dieses Materials 26 an der dünnen Zuleitung 24 in der Weise bewerkstelligt werden, daß ein Tropfen des flüssigen Silikongummis an der Spitze einer Injektionsnadel gebildet und dieser Tropfen beispielsweise mittels einer Injektionsspritze praktisch auf einen mittleren Abschnitt-der Zuleitung 24 aufgetropft wird.
Anschließend können der Tragteil 10, das Plättchen 12, die Zuleitungen 24, die Anschlüsse bzw. Klemmen 16 und die Materialstücke 26 in das Vergußmassen-Kunstharz 20 eingegossen werden. Dieses Kunstharz 20 muß den folgenden Bedingungen bzw. Anforderungen genügen: Es muß aus einem Material bestehen, das einen verhältnismäßig großen Wärmedehnungskoeffizienten und elektrische Isoliereigenschaften besitzt, das im Normalbetrieb keinerlei Substanzen abgibt, welche das HalUeiterplättchen 12 ungünstig beeinflussen können und das sich für das Gießen eignet Geeignete Materialien sind beispielsweise Epoxyharz und Silikonharz.
Bei der vorstehend beschriebenen Konstruktion bildet die Kombination aus dem Vergußmassen-Kunstharz XJ, den in diesem enthaltenen weichen Material-Stücken 26 und den in letztere eingebetteten dünnen Zuleitungen 24 die thermischen bzw. Schmelzsicherungen für die Halbleitervorrichtung.
Fig.2 veranschaulicht den Zustand einer dünnen Gold-Zuleitung 24, die aufgrund einer Überhitzung durch einen Überstrom innerhalb des weichen Isoliermaterials 26 eine Unterbrechung erfahren hat Bei den eingangs genannten Versuchen und Untersuchungen wurde festgestellt, daß sie die Enden der Zuleitungen 24 bei der Unterbrechung gemäß F i g. 2 zu einer Kugel mit einem etwas größeren Durchmesser als demjenigen der betreffenden Zuleitung 24 verformen. Dies bedeutet, daß die Funktion als thermische bzw. Schmelzsicherung innerhalb des weichen Materials 26 auftritt
Um die Zuleitung der einen Überhitzung zuzuschreibenden Wärmedehnungsspannung voll auszusetzen, sollte der Tropfen des weichen Isoliermaterials vorzugsweise im Mittelbereich der Länge der Zuleitung angebracht werden. Nach der Anbringung dieses weichen Materials werden das Halbleiterplättchen, ein Teil der äußeren Anschlüsse, die dünnen Zuleitungen und dieses weiche Material in das Vergußmassen-Kunstharz mit vergleichsweise großem Wärmedehnungskoeffizienten eingegossen. Durch diese Konstruktion kann eine Flainmenbildung und ein Zerplatzen der Kapsel sicher verhindert werden, wenn die Halbleitervorrichtung einem Überstrom ausgesetzt ist und das Halb.e-.terplättchen sowie die dünne Zuleitung überhitzt werden.
Der Grund hierfür ist folgender: Der Wärmedehnungskoeffizient des weichen Materials ist niedriger als derjenige der Vergußmasse, so daß das weiche Material bei einer Erwärmung der Halbleitervorrichtung durch die dieses weiche Material umschließende Vergußmasse zusammengedrückt wird und dabei eine Dehnungsbelastung auf den im Inneren der weichen Msterialmasse befindlichen Abschnitt der Zuleitung ausübt Daraufhin wird die dünne Zuleitung, die aufgrund der Erwärmung durch den Überstrom erweicht oder angeschmolzen worden ist, durch die im Inneren des weichen Materials entstehende Dehnungsspannung nahezu zwangsweise unterbrochen, bevor das als Vergußmasse dienende
Kunstharz verkohlt und dann entflammt oder bevor dieses Kunstharz bricht und zerplatzt. Beim Durchschmelzen erfährt die innerhalb des weichen Materials unterbrochene Zuleitung aufgrund ihrer Oberflächenspannung eine Zusammenballung. Das an den vom weichen Isoliermaterial entfernten Stellen mit der dünnen Zuleitung in Berührung stehende Vergußmassen-Kunstharz wird gleichzeitig unter dem Einfluß der Überhitzung der Zuleitung verkohlt, so daß sich um die dünne Zuleitung herum eine verkohlte Schicht bildet. Diese verkohlte Schicht wird durch die sich unter Wärmeeinfluß ausdehnende Vergußmasse zusammengedrückt und zu seiner rohrförmigen, elektrisch leitenden Schicht verformt. Da das weiche Material jedoch elektrisch isolierend ist, ist die Halbleitervorrichtung zum Zeitpunkt der Unterbrechung der dünnen Zuleitung aufgrund der Überhitzung vollständig von der Stromversorgung getrennt, so daß eine weitere Überhitzung verhindert wird.
Zur Untersuchung der Brandgefahr wurden folgende Versuche durchgeführt: Mit 300 für die jeweiligen Versuchs-Speisespannungen von 12,5 Volt bis 17,5VoIt Gleichstrom vorbereiteten Proben wurden Halbleitervorrichtungen mit dem Aufbau gemäß dem Stand der Technik unter gleichbleibenden Bedingungen untersucht. Dabei zeigte es sich, daß die Häufigkeit einer Flammenbildung bzw. eines Brandes bei diesen Vorrichtungen bei 1% bzw. 70% liegt Obgleich eine
ίο Flammenbildungshäufigkeit von 1% ziemlich niedrig erscheinen mag, ist dabei dennoch die Möglichkeit für Brandunfälle gegeben, die zu ausgedehnten Bränden und anderen schweren Unfällen führen können, so daß allein diese Möglichkeit einen schwerwiegenden Man-
i·'1 gel darstellt. Bei denselben, mit der erfindungsgemäßen Konstruktion gemäß F i g. I unter denselben Bedingungen durchgeführten Versuchen wurde eine Flammenbildungs- bzw. Brandhäufigkeit von 0% ermittelt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 Patentansprüche:
1. Halbleiterbauelement mit einem auf einem Träger (10) angebrachten Halbleiterplättchen (12), welches mittels einer Vergußmasse eingekapselt ist, mit wenigstens einem, einen Elektrodenabschnitt (22) des Halbleiterplättchens (12) mit einem aus der Vergußmasse (20) herausgeführten Anschluß (16) verbindenden, dünnen Zuleitungsdraht, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Zuleitungsdraht (24) bei einem Strom über einer bestimmten Stromstärke durchschmilzt und daß wenigstens an einem Teil des Zuleitungsdrahts (24) innerhalb der Vergußmasse (20) ein weiches, elektrisches Isoliermaterial (26) angebracht ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weiche elektrische Isoliermaterial einen kleineren Wärmedehnungskoeffizienten besitzt als die Vergußmasse.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, &aS das weiche elektrische Isoliermaterial ein Silikongummi bzw. -kautschuk ist
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weiche elektrische Isoliermaterial aus einem Gummi bzw. Kautschuk aus zwei flüssigen Gummi- bzw. Kauischuksorien besteht
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das weiche elektrische Isoliermaterial ein Lack oder Firnis ist
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse ein Expoxyharz oder ein Silikonharz ist
7. Vorrichtung nach Anspn--h 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen einen Leistungstransistor und/oder einen ntegrierten Schaltkreis trägt
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