DE3343034C2 - Gehäuse für Halbleitervorrichtungen - Google Patents

Gehäuse für Halbleitervorrichtungen

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Description

Die Erfindung betrifft Gehäuse für Halbleitervorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Gehäuse dieser Bauart ist unter der Bezeichnung TO-220 bekannt. Es hat eine metallische Platte, die teilweise so in dem Körper aus Kunst­ harz 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 Ge­ häuse 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 Kühlkörper gestattet, so daß die Hauptfläche des Teils der Platte, der aus dem Kunststoffkörper in gutem, thermischem Kontakt mit dem Kühlkörper ist. Starre metallische Leiter, die die Funktion der Zuleitungen der Vorrichtung haben, sind mit metallischen Zonen der Halbleiterplättchen 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 metal­ lischen Gehäusen der Bauart TO-3, vorteilhaft sind, so gewährleisten sie 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 Wärme­ dehnungskoeffizienten von Metall und Kunstharz die Berührungsflächen zwischen den beiden Werkstoffen dazu neigen, sich gegeneinander relativ 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 Be­ lastungen 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 Kühlkörper durch den Verwender die Gefahr, daß auf das Halbleiterplättchen mechanische Beanspruchungen übertragen werden, die dessen Unver­ sehrtheit beeinträchtigen.
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 Elastizitätskoeffizien­ ten aufweist, so daß die unterschiedlichen Dehnungen der metallischen Platte und des Kunststoffkörpers ausgeglichen und die auf das Halbleiter­ plättchen 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.
Aus der DE-OS 29 19 540 ist ein Gehäuse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei dem der in Kunstharz eingebette­ te Teil der metallischen Platte auf der zum Kunstharz weisenden Seite mit einer Nut versehen ist, deren Seitenwände Hinterschneidungen aufweisen, so daß das Kunstharz des Kunstharzkörpers in der Nut ver­ ankert wird. Diese Nut kann einen rechteckigen Verlauf haben, der das in dem Kunstharzkörper eingeschlossene Halbleiterplättchen umschließt. Statt dessen kann aber auch eine geradlinige Nut vorgesehen sein, die sich in der Nähe des zum freien Teil gerichteten Randes des Kunst­ harzkörpers befinden kann. Durch diese Verankerung in der Nut wird der Widerstand gegen eine Ablösung des Kunstharzkörpers senkrecht zur Oberfläche der metallischen Platte sowie gegen eine Verschiebung des Kunstharzkörpers parallel zur Oberfläche der metallischen Platte er­ schwert.
Aus der DD-PS 97 518 und aus der US-PS 4 270 138 ist es bekannt, den in dem Kunstharzkörper eingebetteten Teil der metallischen Platte schwalbenschwanzförmig auszubilden, wodurch der Widerstand gegen eine Bewegung des Kunstharzkörpers parallel zur Oberfläche der metalli­ schen Platte erhöht wird. Im Fall der DD-PS 97 518 verlaufen außerdem die Seitenwände des schwalbenschwanzförmigen Plattenteils zur norma­ len Richtung der Plattenoberfläche derart geneigt, daß der Widerstand gegen ein Ablösen des Kunstharzkörpers von der das Halbleiterplättchen tragenden Oberfläche der metallischen Platte erschwert wird. Im Fall der US-PS 4 270 138 sind die Seitenwände des schwalbenschwanzförmigen Plattenteils mit einem Verankerungsvorsprung versehen, womit ebenfalls der Widerstand gegen ein Ablösen des Kunstharzkörpers von der metal­ lischen Platte senkrecht zu deren das Halbleiterplättchen tragenden Ober­ fläche erschwert wird.
Aus der US-PS 4 125 740 ist ein Gehäuse für Halbleitervorrichtungen bekannt, bei dem die metallische Platte von einem eine Vielzahl metalli­ scher Platten bildenden Streifen abgetrennt worden ist, indem ein Ver­ bindungssteg zu einer benachbarten Platte des Streifens durchtrennt worden ist. Nach diesem Durchtrennen stehen von demjenigen Teil der metallischen Platte, der nicht mit einem Kunstharzkörper versehen wird, seitliche Laschen ab.
Diese Lösungen begrenzen jedoch die Übertragung mechanischer Belastungen des Halbleiterplättchens nicht ausreichend, die entstehen, wenn das Gehäuse auf nicht vollständig planen Kühlkörpern befestigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse der eingangs angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem mit möglichst einfachen und kostengünstigen Maßnahmen im Vergleich zu den bekannten Gehäusen eine höhere mechanische Zuverlässigkeit erreicht wird, indem es den im Gehäuse untergebrachten aktiven Teil der Halbleitervorrichtung wir­ kungsvoller gegen mechanische Belastungen schützt, die durch Befestigen des Gehäuses auf einem nicht vollständig planen Kühlkörper entstehen.
Bei einem gattungsgemäßen Gehäuse wird diese Aufgabe erfindungs­ gemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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 Ge­ häuses der Bauart TO-220,
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 die­ selben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt ein Gehäuse der Bauart TO-220 mit einer metallischen Platte 2, von der ein Teil in einem Körper 4 aus Kunststoff eingebettet ist, der bei­ spielsweise durch Spritzgießen eines Epoxidharzes in eine Form hergestellt ist.
Ein vorher in geeigneter Weise bearbeitetes Plättchen 6 aus Halbleitermaterial, das den aktiven Teil der Vor­ richtung bildet, ist beispielsweise durch Löten auf der metallischen Platte 2 befestigt. Metallische Anschlüsse 8 - in Fig. 1 sind drei Anschlüsse darge­ stellt - sind teilweise in dem Körper 4 aus Kunstharz eingebettet und über Kontaktdrähte 10 mit dem Plätt­ chen 6 elektrisch verbunden.
Eine in die metallische Platte 2 eingearbeitete Durch­ gangsbohrung 12 dient zur Befestigung der Vorrichtung an einem Tragkörper.
Ein Steg 14, der an einem Teil der Ränder der Platte 2 umläuft und beispielsweise durch Prägen hergestellt wurde, begünstigt die Verankerung des Körpers 4 aus Kunstharz an der metallischen Platte 2.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung sind in die Platte 2 im Bereich der Übergangszone zwischen dem in das Kunstharz einge­ betteten Teil und dem freien Teil zwei einander gegen­ überliegende, seitliche Einschnitte 16 und wenigstens eine diese verbindende Nut 18 eingearbeitet.
Bei dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbei­ spiel haben die Teile der Einschnitte 16, ausgehend vom Rand der Platte 2, einen rechteckigen Verlauf und sind rechtwinklig zur Hauptfläche der Platte 2. Die Wände der Nut 18 haben ebenfalls einen rechteckigen Verlauf, sind untereinander parallel und rechtwinklig zur Ebene der Platte 2.
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 2, der in das Kunstharz eingebettet ist, und dem freien Teil der Platte 2, so daß eventuelle Verformungen des freien Teiles nicht die Loslösung des Körpers 4 aus Kunstharz von der Platte 2 verursachen.
Die Nut 18 kann durch Fräsen eingearbeitet werden, während die seitlichen Einschnitte 16 in einer einzigen Stanzoperation hergestellt werden. Allerdings können bei anderen Ausführungsformen die Nut 18 auch durch Prägen und die Einschnitte 16 durch Fräsen her­ gestellt werden.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Nut 18 und die seit­ lichen Einschnitte 16 so auszubilden, daß ihre Seitenwände Hinterschneidungen bezüglich der Hauptfläche der metalli­ schen Platte 2, auf denen das Plättchen 6 aus Halbleiter­ material befestigt wird, bilden.
Die Nut 18 und die Einschnitte 16 verbessern die mechanische Verankerung des Körpers 4 aus Kunstharz auf der Platte 2 mit dem Steg 14.
Die Hauptfunktion der Nut 18 und der Einschnitte 16 besteht jedoch darin, die mechanische Festigkeit der metallischen Platte 2 im Trennbereich zwischen dem in das Kunstharz eingebetteten Teil und dem freien Teil zu ver­ ringern. Auf diese Weise werden schädliche Beanspruchun­ gen aufgrund mechanischer Einwirkungen auf den nicht eingebetteten Teil der Platte 2 nicht mehr auf das Halbleiter­ plättchen 6, das den aktiven Teil der Vorrichtung darstellt, übertragen. Diese Belastungen, die beispiels­ weise durch die Schraubbefestigung auf nicht vollständig planen Kühlkörpern verursacht werden, werden nicht mehr auf das Plättchen 6 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.
Die Abmessungen der Einschnitte 16 und der Nut 18 werden in Abhängigkeit von den maximal aufzunehmenden Be­ lastungen und in Abhängigkeit von der in der Vor­ richtung während des Betriebes auftretenden Verlust­ leistungswärme berechnet, wobei zu berücksichtigen ist, daß die metallische Platte 2 auch im Bereich der Nut 18 und der Einschnitte 16 eine ausreichende Gesamtwärmeleit­ fähigkeit behalten muß, um die Wärme nach außen ab­ zuführen. Für eine Oberfläche eines äußeren Tragkörpers, an dem die Vorrichtung durch Schrauben befestigt wird und der eine Konkavität um 100 µm 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 2 haben muß.
Es ist wesentlich, daß die Herstellung der seit­ lichen 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 Her­ stellung der Platte 2 erhalten werden.
Die Herstellung der Nut 18 ist fertigungstechnisch sehr einfach und billig, weil die notwendige Fräsoperation direkt auf der metallischen Platte erfolgen kann, von der anschließend die einzelnen Platten 2 abge­ schnitten werden, so daß für mehrere Platten 2 eine einzige Fräsoperation durchgeführt werden kann.

Claims (5)

1. Gehäuse für Halbleitervorrichtungen mit einer metallischen Platte (2) und einem Körper (4) aus Kunstharz, in den ein Teil der Platte eingebettet ist und der eine vom Körper (4) aus Kunstharz abliegende Hauptfläche der Platte (2) frei läßt,
wobei die Platte in ihrem vom Körper (4) freien Teil mit einem Befestigungsloch (12) für die Befestigung des Gehäuses an einem Kühlkörper und auf der den Körper (4) aus Kunstharz aufweisenden Hauptfläche mit einer Nut (18) versehen ist, 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 einander gegenüberliegende, seitliche Einschnitte (16) aufweist,
daß die beiden Einschnitte (16) auf dieser Hauptfläche der Platte (2) durch die Nut (18) verbunden sind
und daß die dem freien Teil der Platte (2) am nächsten liegende Wand der Nut (18) die Grenze zwischen dem eingebetteten Teil und dem freien Teil der Platte (2) bildet.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 Trennwände bezüglich der Hauptfläche der Platte (2), die teilweise von dem Kunstharz überzogen ist, Hinter­ schneidungen 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 wesent­ lichen eine ebene Oberfläche hat, welche mit der Ebene der Haupt­ fläche der Platte (2), die teilweise von dem Kunstharz bedeckt ist, einen Winkel bildet, der nicht größer als 90° ist.
5. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der die Grenze mit dem Körper (4) aus Kunstharz bildenden Nutwand eine im wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, die mit der teilweise mit Kunstharz bedeckten Hauptfläche der Platte (2) einen Winkel von nicht mehr als 90° bildet.
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