DE2810416C2

DE2810416C2 - Halbleiterbauelement mit Kunststoffummantelung

Info

Publication number: DE2810416C2
Application number: DE2810416A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.rer.nat. Brandt; Ludwig 4788 Warstein Herold; Wolfgang Pikorz; Alois Dipl.-Phys. Sonntag
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1978-03-10
Filing date: 1978-03-10
Publication date: 1983-09-01
Also published as: FR2419587B1; GB2016807B; JPS54124973A; SE7902014L; JPS6136710B2; FR2419587A1; US4240099A; SE435771B; DE2810416A1; GB2016807A

Description

Die Erfindung betrifft ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen, an den zwei Stirnflächen mit Elektroden versehenen Halbleiterelement, mit zwei zylindrischen, als Stromanschluß und zur Wärmeableitung dienenden, das Halbleiterbauelement an den Hauptelektroden kontaktierenden Metallkörpern, sowie mit einem die Metallkörper und das Halbleiterelement umschließenden, zentrierenden Isolierring, der zwischen zwei mit ihren Innenrändern an der Mantelfläche der zwei Metallkörper befestigen ringscheibenförmigen Bleche eingefaßt ist, die mit ihren äußeren Randbereichen in einem das scheibenförmige Halbleiterbauelement dicht umschließenden Kunststoffmantel eingebettet sind.

Ein derartiges Bauelement ist aus der DE-OS 23 64 728 bekannt, um bei Verwendung eines Kunststoffrings Dichtigkeit mittels ringförmiger Blechteile herzustellen. Bei Halbleiterbauelementen großer Leistung ist es jedoch schwierig, eine auch bei thermischer Wechselbelastung dichte Kunststoffummantelung zu erzielen. Durch Wechselbelastungen entstehen infolge der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der das Halbleiterelement kontaktierenden Metallkörper einerseits und der für die Ummantelung des Halbleiterelements und für den Isolierring verwendeten Kunststoffe andererseits innere mechanische Verspannungen, die zur Rißbildung in den Kunststoffteilen führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs definierten Art mit einem Isolierring aus einem Kunststoff konstruktiv derart auszuführen, daß die Ummantelung aus Kunst-

stoff auch bei thermischer Wechsellaslbeanspruchung eine den technischen Anforderungen genügende Dichtigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß die äußeren Randbereiche gewellt sind und daß die Oberflächen der äußeren Randbereiche aufgerauht und mit einer Kunststoffbeschichtung versehen sind, die aus einem Epoxid-, Polyester- oder Polyurelhanharz besieht

Die Kunststoffbeschichtung bildet in vorteilhafter Weise einen wirksamen Haftvermittler zwischen den ringscheibenförmigen Blechen einerseits und dem das Halbleiterelement umschließenden Kunststoffmantel andererseits. Die beanspruchten Polymersysteme weisen eine gute Adhäsion auf metallischem Untergrund auf.

Es hat sich gezeigt daß erfindungsgemäß ausgebildete scheibenförmige Halbleiterbauelemente mit Kunststoffummantelung eine nach thermischen Lastwechseln beständige Dichtigkeit aufweisen. Hierdurch wird bei einem Halbleiterbauelement ein verbesserter Feuchtigkeitsschutz erreicht, so daß es auch bei in der Umgebung hoher Luftfeuchtigkeit betrieben werden kann. Da das Eindringen von Öl in das Gehäuseinnere auch bei thermischer Beanspruchung zuverlässig verhindert wird, können derartige Bauelemente sogar in einem Ölbad betrieben werden.

Durchgeführte Untersuchungen zeigten, daß derartige Bauelemente nach mehr als 50 thermischen Lastwechseln zwischen —40°C und +140°C vollständig dicht sind.

Die Kunststoiibeschichtung weist bevorzugt eine Stärke von 40 μπι bis 100 μπι auf.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des scheibenförmigen Halbleiterbauelements besteht darin, daß die Oberflächen der äußeren Randbereiche der ringscheibenförmigen Bleche chemisch aufgerauht und elektrostatisch mit Kunststoffpulver beschichtet werden. Die elektrostatische Kunststoffpulverbeschichlung läßt sich gleichmäßig und in einfacher Weise aufbringen, wobei eine selektive Beschichtung mittels einer Maskierung, z. B. aus Teflon, möglich ist.

Aus der GB-PS 5 55 876 ist es zwar bekannt, eine Metalloberfläche vor dem Aufbringen des Kunststoffs aufzurauhen. Die Aufrauhung erfolgt jedoch durch Aufbringen eines pulverförmigen Metallüberzugs. Ferner können gemäß der GB-PS 7 37 855 die einzubettenden Oberflächen vor der Einformung in Kunststoff mit einer Kunststoffbeschichtung versehen werden, wobei als Kunststoff jedoch Polyisobuten verwendet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachstehend anhand der Figur erläutert werden. Die Figur zeigt ein als Thyristor ausgebildetes Halbleiterbauelement.

Der Thyristor weist zwei Scheibenhauptflächen 11 und 12 mit daran angebrachten Hauptelektroden 13 und 14 auf, wobei an der Hauptfläche 12 eine nicht dargestellte Steuerelektrode vorgesehen ist. Das Thyristorelement 1 befindet sich zwischen zwei Metallkörpern 2 und 3 aus massivem Kupfer und hat mit der Hauptelektrode 13 Flächenkontakt mit dem Metallkörper 2 und mit der Hauptelektrode 14 Flächenkontakt mit dem Metallkörper 3. Das Thyristorelement und die zwei Metallkörper werden im Isolierring 4 zentriert zusammengehalten. Der Isolierring 4 besteht aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus einem mineralisch- oder glasfaserverstärkten Epoxidharz, dessen Wärmeformbeständigkeii nach dem Aushärten so gut ist, daß bei der Verarbeitungstemperatur des für die Ummantelung des

Bauelements verwendeten Kunststoffes keine Verformung eintritt

Die Metallkörper 2 und 3 aus Kupfer dienen als Stromabnehmer. An der Mantelfläche eines jeden zylindrischen Metallkörpers ist je ein ringscheibenförmiges Blech 21 bzw. 31, ebenfalls aus Kupfer, hart angelötet, deren Randbereiche r21, ,-3t, die radial über den Isolierring 4 hinausragen und in den Kunststoffmantel 5 eingebettet sind, wellenförmig gestaltet sind. Das Thyristorbauelement ist mit einem Kunststoffmantel 5 umgeben, dessen Abmessungen so gewählt sind, daß die freien Stirnflächen 22, 32 der zylindrischen Metallkörper 2 und 3 über die Stirnflächen des Mantels 5 beiderseits herausragen, damit diese Stirnflächen kontaktiert werden können. Als Material für den Mantel If 5 kommen härtbare Harze, wie z. B. Epoxidharze, in 1 Betracht. Bei der Herstellung derartiger Formteile hat ?| sich das Spritzpressen bzw. Transfer-Pressen als ein 1 geeignetes Verarbeitungsverfahren erwiesen.
;>| Zur Herstellung eines Kunststoffmantels nach diesem B Verfahren wird das Thyristorbauelement in ein geeignet ff dimensioniertes Werkzeug verbracht ;ind es wird die in p einer Druckkammer unter Wärme und Druck plastifi- ?A zierte Formmasse mit einem Stempel durch Kanäle in f§ den vorhandenen Hohlraum des vorher geschlossenen jf und unter Preßdruck stehenden Werkzeugs gedrückt. yg Während der Erhärtung des Kunststoffes wird der fe Druck auf die auf dem Isolierring 4 aufliegenden \i Bereiche der ringscheibenförmigen Bleche 21 und 31 f aufrechterhalten. Hierbei und durch den Isolierring 4 gehindert kann der plastisch fließende Kunststoff nicht ', an das zwischen den Metallkörpern 2 und 3 befindliche i> Halbleiterelement gelangen. Nach dem Erhärten des \üi Kunststoffes können die Formteile des Preßwerkzeugs β voneinander getrennt und das ummantelte Bauelement g; entformt, d. h. aus dem Werkzeug entnommen werden. p| Für eine beständige Dichtigkeit des Gehäuseaufbaues f& ist außer der Art der verwendeten Preßmasse eine ;i zuverlässige Verbindung zwischen der für den Kunst-Stoffmantel 5 verwendeten Formmasse und den in ihr eingebetteten Blechen 21 und 31 von Bedeutung. Preßmassen bringen in dieser Hinsicht keine günstigen Voraussetzungen mit sich, da sie zur Erzielung einer guten Entformbarkeit des Preßlings aus dem Werkzeug Stoffzusätze als Trennmittel enthalten, die das Haften des Kunststoffs an metallischen Teilen des Werkzeugs verhindern sollen.

Unter Verwendung von duroplastischen Preßmassen zur Ummantelung eines Halbleiterbauelementes, wie beschrieben, wird ein beständig dichtes Gehäuse durch eine Beschichtung der Randbereiche r2i und r31 der ringscheibenförmigen Bleche 21 bzw. 31 mit einem Kunststoffpnlver geschaffen. Als Beschichtungsmaterial sind Pulverlacke auf der Basis von Epoxid-, Polyesteroder Polyurethanharzen geeignet. Zur Verbesserung der Haftung dieser Kunststoffbeschichtung auf Metall werden zuvor die zu beschichtenden Gehäuseteile chemisch aufgerauht. Das Röhrchen 6, durch das ein Anschlußleiter der Steuerelektrode hindurchgeführt wird, wird in den Bereichen, in denen es in den Kunststoffmantel 5 eingebettet ist, ,benfalls mit einer Kunststoffbeschichtung r6 versehen.

Als Material für den Kunststoffmantel 5, sowie auch für den Isolierring 4, sind Epoxidharze mit hohem Anteil an mineralischen Füllstoffen geeignet, deren thermischer Aisdehnungskoeffizient demjenigen der Metallkörper 2 und 3, sowie der Bleche 21 und 31, möglichst nahe kommt, um mechanische Spannungen zwischen den Kunststoff- und Metallteilen bei thermischer Wechsellastbeanspruchung weitgehend zu vermeiden. Da bei Kunststoffen der thermische Ausdehnungskoeffizient sich stark mit der Temperatur ändern kann, ist es vorteilhaft, Formmassen zu verwenden, deren Erweichungstemperatur nach der vollständigen Erhärtung deutlich höher als die BeanEpruchungstemperatur liegt, da der thermische Ausdehnungskoeffizient im Bereich der Erweichungstemperatur stark ansteigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Scheibenförmiges Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen, an den zwei Stirnflächen mit Elektroden versehenen Halbleiterelement, mit zwei zylindrischen, als Stromanschluß und zur Wärmeableitung dienenden, das Halbleiterelemient an den Hauptelektroden kontaktierenden Metallkörpern, sowie mit einem die Metalikörper und das Halbleiterelement umschließenden, zentrierenden Isolierring, der zwischen zwei mit ihren Innenrändern an der Mantelfläche der zwei Metallkörper befestigten ringscheibenförmigen Bleche eingefaßt ist, die mit ihren äußeren Randbereichen in einem, das scheibenförmige Halbleiterbauelement diicht umschließenden Kunststoffmantel eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Randbereiche (r2t, r31) gewellt sind und daß die Oberflächen der äußeren Randbereiche (r2t, r31) aufgerauht und mit einer Kunststoffbeschichtung versehen sind, die aus einem Epoxid-, Polyesteroder Polymethanharz besteht.

2. Scheibenförmiges Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffbeschichtung40 μΐπ bis 100 μηι stark ist

3. Verfahren zur Herstellung eines scheibenförmigen Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der äußeren Randbereiche (r2\, r3\) der ringscheibenförmigen Bleche (21, 31) chemisch aufgerauht und elektrostatisch mit Kunststoffpulver beschichtet werden.