DE3343034A1 - Gehaeuse aus metall und kunststoff mit erhoehter zuverlaessigkeit fuer halbleitervorrichtungen - Google Patents

Gehaeuse aus metall und kunststoff mit erhoehter zuverlaessigkeit fuer halbleitervorrichtungen

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Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft Gehäuse für Halbleiter-Vorrichtungen und insbesondere solche Gehäuse, die als Kunststoffgehäuse bezeichnet werden und einen metallischen Teil sowie einen Teil aus Kunstharz enthalten.
Ein Gehäuse dieser Bauart ist unter der Bezeichnung TO-220 bekannt. Es hat eine metallische Platte, die teilweise so in dem Körper aus Kunstharz eingebettet ist, daß eine Hauptfläche herausragt. Ein oder mehrere Plättchen aus Halbleitermaterial, die den aktiven Teil der Vorrichtung bilden, sind auf der anderen Hauptfläche der Platte in gutem Kontakt mit dieser befestigt, so daß die im Betrieb erzeugte Wärme aus dem Gehäuse nach außen abgeführt werden kann. Der Teil der nicht in dem Körper aus Kunstharz eingebetteten Platte weist eine Durchgangsbohrung auf, die die Befestigung mittels einer Schraube an einem Wärmeableiter gestattet, so daß die Hauptfläche des Teils der Platte, der aus dem Kunststoffkörper herausragt, in gutem, thermischem Kontakt mit dem Wärmeableiter ist. Starre metallische Leiter, die die Funktion der Zuleitungen der Vorrichtung haben, sind mit metallischen Zonen der Halbleiterplättehen durch dünne Metalldrähte verbunden und ebenfalls teilweise in dem Kunststoffkörper eingebettet.
Wenn diese bekannten Gehäuse auch viele Eigenschaften aufweisen, die gegenüber anderen Gehäusen mit anderem Aufbau, beispielsweise metallischen Gehäusen der Bauart TO-3, vorteilhaft sind, so gewährleisten sie
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jedoch gegen mechanische Beanspruchungen keine Festigkeit, die in jedem Anwendungsfall ausreichend wäre.
Dieser Nachteil, der den möglichen Verlust des dichten Abschlusses des Gehäuses und damit die Bildung von Wegen für das Eindringen von für die aktiven Elemente der Vorrichtung schädlichen Medien bedeutet, beruht Zum Teil darauf, daß aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten von Metall und Kunstharz die Berührungsflächen zwischen den beiden Werkstoffen dazu neigen, sich gegeneinander relativ zu bewegen, wenn sich die Temperatur ändert. Dadurch ist die Haftung zwischen den beiden Materialien nicht überall einwandfrei. Der genannte Nachteil beruht zu einem weiteren Teil auf der ungenügenden mechanischen Verankerung des Kunststoffkörpers auf der metallischen Platte, was sich insbesondere bei Verformungen der Platte unter Belastungen auswirkt.
Man kann davon ausgehen, daß unmittelbar nach dem Aushärten des Kunststoffkörpers bei einer ungenügenden Verankerung zwischen dem Kunststoffkörper und der Platte und einer nicht ausreichenden Haftung zwischen Kunststoff und Metall die mechanische Abdichtung des Gehäuses nur auf der Haftung zwischen dem Kunstharz und dem Halbleitermaterial der Plättchen beruht. Deshalb besteht sowohl während der Herstellungsphasen im Anschluß an den "Kunststoff-Abschluß des Gehäuses als auch beim Befestigen der Vorrichtung an dem Wärme-
^O ableiter durch den Verwender die Gefahr,daß auf das Halbleiterplättchen mechanische Beanspruchungen übertragen werden, die dessen Unversehrtheit beeinträchtiger..
Im Stand der Technik sind zahlreiche Versuche bekannt, mit denen dieses Problem gelöst werden soll.
So wurde beispielsweise der Einsatz einer Zwischenschicht aus einem solchen Werkstoff vorgeschlagen,
der sowohl mit dem Harz als auch mit dem Metall eine gute Haftung hat und einen hohen Elastizitätskoeffizienten aufweist, so daß die unterschiedlichen Dehnungen der metallischen Platte und des Kunststoffkörpers * ausgeglichen und die auf das Halbleiterplättchen übertragenen Belastungen abgeschwächt werden.
Um die mechanische Verankerung des Kunststoffkörpers zu verbessern, ist auch der Einsatz von Klammern,
Nuten oder Bohrungen bekannt, die in die metallische Platte eindringen. Diese Lösungen begrenzen jedoch die Übertragung mechanischer Belastungen auf das Halbleiterplättchen nicht ausreichend, insbesondere dann nicht, wenn das Gehäuse auf nicht vollständig planen Wärnne-
ableitern befestigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse der eingangs angegebenen Gattung zu schaffen, das im Vergleich zu den bekannten Gehäusen eine höhere mechanische Zuverlässigkeit hat und den im Gehäuse"' ■ untergebrachten aktiven Teil der Vorrichtung wirkungsvoller gegen mechanische Belastungen schützt.
Bei einem gattungsgemäßen Gehäuse wird diese Aufgabe 30
erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Patentanspruches 1 gelöst.
BAD ORIGINAL
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Es zeigen :
Fig.1 eine vergrößerte Ansicht eines bekannten Gehäuses der Bauart TO-220, 10
Fig.2 eine vergrößerte Draufsicht einer metallischen Platte für ein Gehäuse gemäß der Erfindung und
Fig.3 eine Schnittdarstellung der in Fig.2 gezeigten Platte.
In den Figuren sind für übereinstimmende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet. 20
Fig.1 zeigt ein Gehäuse der Bauart TO-220 mit einer metallischen Platte 2, von der ein Teil in einem Körper H aus Kunststoff eingebettet ist, der beispielsweise durch Spritzgießen eines Epoxidharzes ° in eine Form hergestellt ist.
Ein vorher in geeigneter Weise bearbeitetes Plättchen aus Halbleitermaterial, das den aktiven Teil der Vorrichtung bildet, ist beispielsweise durch Löten auf
der metallischen Platte 2 befestigt. Metallische
Anschlüsse 8 - in Fig.1 sind drei Anschlüsse dargestellt - sind teilweise in dem -Körper 1J aus Kunstharz eingebettet und über Kontaktdrähte 10 mit dem Plättchen 6 elektrisch verbunden.
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* Eine in die metallische Platte 2 eingearbeitete Durchgangs bohrung 12 dient zur Befestigung der Vorrichtung an einem Tragkörper.
Ein Steg 14, der an einem Teil der Ränder der Platte umläuft und beispielsweise durch Prägen hergestellt wurde, begünstigt die Verankerung des Körpers 4 aus Kunstharz an der metallischen Platte 2.
Gemäß der Erfindung sind in die Platte im Bereich der Übergangszone zwischen dem in das Kunstharz eingebetteten Teil und dem freien Teil zwei einander gegenüberliegende, seitliche Einschnitte 16 und wenigstens
eine diese verbindende Nut 18 eingearbeitet. 15
Bei dem in den Fig.2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Teile der Einschnitte 16, ausgehend vom Rand der Platte 2, einen rechteckigen Verlauf und sind rechtwinklig zur Hauptfläche der Platte. Die Wände der Nut 18 haben ebenfalls einen rechteckigen Verlauf, sind untereinander parallel und rechtwinklig zur Ebene der Platte.
Die Wände der Nut 18 und der Einschnitte 16, die der Durchgangsbohrung 12 am nächsten liegen, liegen in ein und derselben Ebene.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet diese Ebene die Grenze zwischen dem Teil der Platte,
der in das Kunstharz eingebettet ist,und dem freien Teil der Platte, so daß eventuelle Verformungen des freien Teiles nicht die Loslösung des Körpers 4 aus Kunstharz von der Platte verursachen.
BAD ORIGINAL
Nach einem Merkmal der Erfindung wird die Nut durch Fräsen eingearbeitet, während die seitlichen Einschnitte in einer einzigen Stanzoperation hergestellt werden. Allerdings können bei anderen Ausführungsformen die Nut auch durch Prägen und die Einschnitte durch Fräsen hergestellt werden.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Nut und die seitlichen Einschnitte so auszubilden, daß ihre Seitenwände 1^ Hinterschneidungen bezüglich der Hauptfläche der metallischen Platte, auf denen das Plättchen 6 aus Halbleitermaterial befestigt wird, bilden.
Die Nut und die Einschnitte verbessern die mechanische Verankerung des Körpers 4 aus Kunstharz auf der Platte mit dem Steg 14.
Die Hauptfunktion der Nut 18 und der Einschnitte 16 besteht jedoch darin, die mechanische Festigkeit der
metallischen Platte im Trennbereich zwischen den in das Kunstharz eingebetteten Teil und dem freien Teil zu verringern. Auf diese Weise werden schädliche Beanspruchungen aufgrund mechanischer Einwirkungen auf den nicht eingebetteten Teil der Platte nicht mehr auf das Haltleiterplättchen, das den aktiven Teil der Vorrichtung darstellt, übertragen. Diese Belastungen, die beispielsweise durch die Schraubbefestigung auf nicht vollständig planen Wärmeableitern verursacht werden, werden nicht mehr auf das Plättchen übertragen, sondern in elastischen oder plastischen Verformungen der Zone mit verringerter, mechanischer Festigkeit aufgefangen.
Die Nut 18 wird vorzugsweise durch Fräsen hergestellt, weil diese Bearbeitungsart dem Werkstoff der Wände und des Bodens Eigenschaften geringerer Festigkeit verleiht.
5
Die Abmessungen der Einschnitte und der Nut werden in Abhängigkeit von den maximal aufzunehmenden Belastungen und in Abhängigkeit von der in der Vorrichtung während des Betriebes auftretenden Verlustleistungswärme berechnet, wobei zu berücksichtigen ist, daß die metallische Platte auch im Bereich der Nut und der Einschnitte eine ausreichende Gesamtwärmeleitfähigkeit behalten muß, um die Wärme nach außen abzuführen. Für eine Oberfläche des äußeren Tragkörpers, an dem die Vorrichtung durch Schrauben befestigt wird und der eine Konkavität von 100 pm aufweist, wurde beispielsweise im Versuch ermittelt, daß die Nut 18 auf der Platte 2 bei normalen Vorrichtungen eine Länge von nicht mehr als 6 mm und eine Tiefe von wenigstens 1/3 der Dicke der metallischen Platte haben muß.
Es ist wesentlich, daß die Herstellung der seitlichen Einschnitte 16 keine über die notwendige Fertigung der metallischen Platte 2 üblicher Bauart hinausgehende Zusatzbearbeitung erfordert, da sie durch ein und dieselbe Stanzoperation bei der Herstellung der Platte erhalten werden.
^ Die Herstellung der Nut ist fertigungstechnisch sehr einfach und billig, weil die notwendige Fräsoperation direkt auf der metallischen Platte erfolgen kann, von der anschließend die einzelnen Platten 2 abgeschnitten werden, so daß für mehrere Platten eine
BAD ORIGINAL
* einzige Fräsoperation durchgeführt werden kann.
Selbstverständlich sind zahlreiche Abänderungen des beschriebenen Ausführungsbeispieles möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So können
beispielsweise auf einer Hauptfläche oder auf beiden Hauptflächen der Platte mehrere Nuten vorgesehen sein. Auch die Grenze zwischen dem Körper aus Kunstharz und dem freien Teil der Platte kann in Abhängig-1^ keit von dem Erfordernissen abgeändert werden.
Schließlich könnte auch ohne jede Nut ein Querschnitt geringerer mechanischer Festigkeit durch mechanische, physikalische oder chemische Bearbeitung erhalten
werden. 15
41
Leerseite

Claims (7)

KAlX)R · KLLlNKER -SCHMlTT-NlLSOiV. HIHSCiI BVTENTANMLT] El R< «ΐ.\Ν WKNT ΑΤΠ ΙΚΝΚΛ SGS-ATES Component! Elettronici S.P.A. Via C. Olivetti, 2 20041 Agrate Brianza u.Z.: K 20 802SM/6 Priorität:
1. Dezember 1982, Italien, Nr. 24533 A/82
Gehäuse aus Metall und Kunststoff mit erhöhter Zuverlässigkeit für Halbleitervorrichtungen
PATENTANSPRÜCHE
Gehäuse für Halbleitervorrichtungen mit einer metallischen Platte und einem Körper aus Kunstharz, in den ein Teil der Platte eingebettet ist und der eine Hauptfläche der Platte freiläßt, dadurch gekennzeichnet , daß die Platte (2) im Bereich der Übergangszone zwischen dem in den Körper (4) aus Kunstharz eingebetteten Teil und dem freien Teil zwei gegen· überliegende, seitliche Einschnitte (16) und auf wenigstens einer seiner beiden Hauptflächen
W ¥ ·ι " s r ι
mindestens eine die beiden Einschnitte (16) verbindende Nut (18) aufweist.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet , daß die Nut (18) wenigstens einen Teil mit mindestens einer Hinterschneidungswand aufweist.
3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß von den seitlichen Einschnitten (16) wenigstens ein Teil ihrer Innenwände bezüglich der Hauptfläche der Platte, die teilweis.e von dem Kunstharz überzogen ist, Hinterschneidungen aufweist.
4. Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der dem Körper (4) aus Kunstharz gegenüberliegenden Oberfläche der Innenwände jedes seitlichen Einschnittes (16) auf einem Abschnitt des Umfangs der Einschnitte, ausgehend vom Rand der Platte (2), im wesentlichen eine ebene Oberfläche hat, -welche mit der Ebene der Hauptfläche der Platte (2), die teilweise von dem Kunstharz bedeckt ist, einen Winkel bildet, der nicht größer als 90° ist.
5. Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die metallische Platte (2) im Bereich der Übergangszone zwischen dem in den Körper (4) aus Kunststoff eingebetteten Teil und dem freien Teil eine teilweise von dem Kunstharz bedeckte Hauptfläche hat, in die eine Nut (18) eingearbeitet ist, die untereinander zwei Einschnitte (16) verbindet und in der sich das Kunstharz bis
BAD ORIGINAL
zur Grenze der dem Körper(4 )aus Kunstharz gegenüberliegenden Warfd erstreckt, wobei wenigstens ein Teil der Oberfläche dieser Wand, die sich über die gesamte Nut (18) erstreckt, im wesentliehen eine flache Oberfläche hat, welche mit der Ebene der Hauptfläche der Platte (2), die teilweise von dem Kunstharz bedeckt ist, einen Winkel von nicht mehr als 90° bildet.
6. Gehäuse für Halbleitervorrichtungen mit einer metallischen Platte und einem Körper aus Kunstharz, in den ein Teil der Platte eingebettet ist und der eine Hauptfläche der Platte freiläßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (2) im Bereich der Übergangszone zwischen dem in den Körper (4) aus Kunstharz eingebetteten Teil und dem freien Teil (2) gegenüberliegende, seitliche Einschnitte (16) aufweist, und daß wenigstens im Bereich zwischen den beiden Einschnitten (16) die mechanische Festigkeit der Platte (2) geringer ist als diejenige des in den Körper (4) aus Kunstharz eingebetteten Teiles.
7. Gehäuse für Halbleitervorrichtungen mit einer metallischen Platte und einem Körper aus Kunstharz, in den ein Teil der Platte eingebettet ist und der eine Hauptfläche der Platte freiläßt, dadurch gekennzeichnet , daß die Platte (2) im Bereich der Übergangs-
zone zwischen dem in den Körper (4) aus Kunstharz eingebetteten Teil und dem freien Teil(2) gegenüberliegende, seitliche Einschnitte (16) aufweist, und daß die mechanische Festigkeit der Platte im freien Teil geringer ist als die mechanische Festigkeit des in den Körper (4) aus Kunstharz eingebetteten Teiles.
BAD ORIGINAL
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