DE3415446A1 - Gegossene harz-halbleitervorrichtung - Google Patents

Gegossene harz-halbleitervorrichtung

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DE3415446A1 DE19843415446 DE3415446A DE3415446A1 DE 3415446 A1 DE3415446 A1 DE 3415446A1 DE 19843415446 DE19843415446 DE 19843415446 DE 3415446 A DE3415446 A DE 3415446A DE 3415446 A1 DE3415446 A1 DE 3415446A1
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Description

HOFFMAk"N"*EITTE A PARTNER 3415446
PATENT- UND RECHTSANWÄLTE
PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN
DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GDRG
DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE
40 130 p/hl
Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan
■ Gegossene Harz-Halbleitervorrichtunq
Die Erfindung bezieht sich auf eine gegossene Harz-Halbleitervorrichtung mit einer Vielzahl von Halbleiterchips, die in einem einzelnen Gehäuse angebracht und in Harz eingekapselt sind.
05
Kürzlich wurden Halbleiterleistungsmodule dieses Typs populär und haben sich sehr schnell auf dem Markt verbreitet. Die Chips in solchen Modulen sind in einer doppelarmigen Gestaltung, einer Doppelsterngestaltung, einer Brückengestaltung und dgl. angeschlossen.
Halbleiterleistungsmodule haben den Vorteil, daß eine Vielzahl von diesen zusammen mit anderen elektrischen Elementen auf einer einzelnen Wärmeradiationsrippe angebracht werden können. Jedoch sind die Beanspruchungen aufgrund der Wärmeausdehnung und der Wärmezusammenziehung aufgrund der an den Oberflächen der vielen in wärmehärtendes Epoxyharz eingebetteten Chips erzeugten Wärme größer als die Beanspruchung bei herkömmlichen
ABELLASTRASSE 4 ■ D-SOOO MÖNCHEN 81 ■ TELEFON CO 89} 9110 87 · TELEX O5-2961B (PATHE) . TELEKOPIERER SI S3
gegossenen Harzhalbleiterelementen, die gerade einen einzelnen Chip haben.
Es treten an den Berührungspunkten zwischen dem Harz und den Kupferdrähten oder der Radiationsplatte aufgrund des Unterschiedes zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Harzes und des Metalls Spannungen auf. Die dadurch erzeugte Beanspruchung konzentriert sich auf solche Chips, welche die schwächste mechanische Festigkeit haben, so daß diese Beanspruchung zu Beschädigungen führt.
Um dieses Problem zu lösen, wurde bereits ein Aufbau gemäß Fig. 1 vorgeschlagen, bei dem ein zylindrisches Gehäuse 2 mit einem Ende an der Oberseite der Radiationsgrundplatte 1 aus Kupfer befestigt ist. Eine Isolierplatte 3 ist an der Oberfläche der Platte 1 befestigt. Eine erste L-förmige Anschlußplatte 4 ist mit einem vertikalen Abschnitt 4a und einem horizontalen Abschnitt 4b versehen, welcher letztere an der Isolierplatte 3 befestigt ist.
Ein erster und zweiter Halbleiterchip 5,6, die als Dioden oder Thyristoren funktionieren, sind im horizontalen Abschnitt 4b befestigt, welcher eine Elektrode jedes Chips mit der ersten Anschlußplatte 4 verbindet. Ein Ende des ersten und zweiten Leitungsdrahtes 7,8 ist mit der anderen Elektrode des ersten und zweiten Chips 5,6 verbunden. Die Leitungsdrähte 7,8 sind elastische Kupferbänder.
Ein erstes flexibles Harz 9, welches cheliertes Silizium oder dgl. in das Gehäuse 2 eingespritztes Material ist, bedeckt die Isolierplatte 3, den Horizontalabschnitt 4b der ersten Anschlußplatte, die Chips 5,6 und die Lei-
tungsdrähte 7,8. Der vertikale Abschnitt 4a der Anschlußplatte 4 steht über das erste Harz 9 vor. Beide oberen Enden der Leitungsdrähte 7,8 liegen an der Oberfläche frei Eine zweite und dritte Anschlußplatte 10,11 sind an den freiliegenden Enden der Leitungsdrähte 7,8 angeschlossen.
Ein zweites wärmehärtendes Harz 12, wie Epoxy oder dgl., ist im Gehäuse 2 auf das erste Harz 9 aufgebracht, wobei die anderen Enden der ersten, zweiten und dritten Anschlußplatte 4,10 und 11 davon nach außen vorstehen.
Wenn die Vorrichtung arbeitet, verursacht ein intermittierend durch die Halbleiterchips 5,6 fließender Strom eine Beanspruchung in der Basisplatte 1 und dem zweiten Harz 12, was aus den Unterschieden der Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Teile resultiert. Die durch diese Beanspruchung erzeugte Spannung wird von den Chips 5,6 durch die Flexibilität des ersten einkapselnden Harzes 9 und dessen Lage zwischen der Platte 1 und dem Harz 12 isoliert. Die Flexibilität des Harzes 9 vervollständigt ebenso die Elastizität der Leitungsdrähte 7,8, da jede auf diese Drähte aufgebrachte Spannung oder Beanspruchung oder durch diese Drähte erzeugte Beanspruchung wirksam gegenüber den Halbleiterchips isoliert ist.
Jedoch sind gegossene Halbleitervorrichtungen der in Fig.1 dargestellten Art dahingehend nachteilig, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des chelierten Siliziumharzes 9 größer ist als der des Epoxyharzes 12. Die thermische Leitfähigkeit des chelierten Siliziums ist vergleichsweise klein. Wenn daher ein intermittierender Strom durch die Chips fließt, so wird dadurch die dabei erzeugte Wärme durch die Basisplatte 1, die Anschlußplatte 4 und die Isolierplatte 3 fließen, jedoch mit einem sehr geringen
Fluß durch das Harz 9, und zwar wegen dessen geringer Wärmeleitfähigkeit. Als Resultat wird der Umfang der Chips heißer als das Harz 9 in der Nähe der Berührungsfläche mit dem Harz 12. Der Unterschied hinsichtlich der Wärmeausdehnung wird zwischen beiden Chips und dem Harz 9 in der Nahe der Chips und zwischen dem Harz 9 in der Nähe der Chips und dem Harz 9 in der Nähe der Übergangsfläche zum Harz 12 größer.
Somit werden die Umfange der Chips und der Leitungsdrähte 7 , 8 aufgrund dieser Unterschiede hinsichtlich der Wärmeausdehnung einer Beanspruchung ausgesetzt, die die Lötverbindung der Chips mit der Anschlußplatte 4 und den Leitungsdrähten ermüdet. Als Resultat behalten solche gegossenen Halbleitervorrichtungen nicht konsistent ihre Betriebseigenschaften über eine längere Zeitperiode.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine gegossene Harz-Halbleitervorrichtung mit einer Vielzahl von
Halbleiterchips zu schaffen, welche nicht durch eine Beanspruchung beeinflußt sind, die aus der Wärmeausdehnung resultiert, und die konsistent ihre Eigenschaften über eine lange Verwendungszeit beigehalten. 25
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die freiliegenden Oberflächen der Halbleiterchips mit einem wärmehärtenden Harz abgedeckt sind, das einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einen hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten hat.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Patentansprüchen.
34Ί 5446
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt:
05
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen, aus Harz gegossenen Halbleitervorrichtung mit einer Vielzahl von Halbleiterchips und
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer aus Harz gegossenen Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung mit einer Vielzahl von Halbleiterchips.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist der herkömmlichen Vorrichtung gemäß Fig. 1 sehr ähnlich, weswegen nur die Unterschiede zwischen den beiden Vorrichtungen und verschiedene besondere Merkmale im einzelnen beschrieben werden sollen.
Das Gehäuse 2 besteht aus Polybutylenterephthalat und die Isolierplatte 3 aus einer keramischen Zusammensetzung mit 96 % Al3O3.
Die Kathodenelektrode jedes Halbleiterchips kann mit der ersten Anschlußplatte 4 und die Anodenelektroden desselben mit den Leitungsdrähten 7,8 verbunden sein.
Die Oberflächen des ersten und zweiten Halbleiterchips 5,6 sind mit einem wärmehärtenden Harz 13,14 überzogen, welches einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Ein Beispiel eines wärmehärtenden Harzes 13,14 ist Epoxyharz, bestehend aus einer Hauptkomponente PERNOX ME-266 und einem Härtemittel PERCURE HV-107 (ein Produkt der NIPPON PERNOX) mit
einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 2,2 χ 10 / 0C und einer Wärmeleitfähigkeit von 1,24 χ 10 kal/cm-s-°c. Entsprechend einem anderen Beispiel besteht ein geeignetes wärmehärtendes Eopoxyharz als Hauptkomponente aus XN1184 (ein Produkt von NAGASE CHIBA) und als Härtemittel XN1185, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient 2,2 χ 10~5/°C un
cm-s.°c beträgt.
2,2 χ 10 5/°C und die Wärmeleitfähigkeit 1,22 χ 10 3 kai/
Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Harzes 13,14 ist kleiner· als der des ersten Harzes 9. Die Wärmeleitfähigkeit des Harzes 13,14 ist größer als die des ersten Harzes 9. Das zweite wärmehärtende Epoxyharz 12
kann mit dem wärmehärtenden Harz 13,14 identisch sein. 5
Die beim Betrieb durch den intermittierenden, durch die Halbleiterchips 5,6 fließenden Strom erzeugte Wärme verschwindet durch den Horizontalabschnitt des ersten Terminals 4, die Isolierplatte 3 und die Basisplatte
1, wie dies zuvor bereits beschrieben worden ist. Entsprechend der Erfindung wird die erzeugte Wärme jedoch ebenso durch das wärmehärtende Harz 13,14 nach außen geleitet, und zwar aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit, wodurch verhindert wird, daß die Wärme um die Umfange und die Oberflächen der Halbleiterchips konzentriert wird. Da weiterhin die Wärmekapazität der Halbleiterchips 5,6 und des wärmehärtenden Harzes 13,14 zusammen größer ist als die Wärmekapazität der Chips alleine, ist die Oberflächentemperatur der Chips geringer als bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1.
Da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Harzes 13,14 kleiner ist als der des Harzes 9, ist die Beanspruchung bzw. die Spannung, die zwischen den Chips und dem umgebenden Harz auftritt, ebenso kleiner. Als Ergebnis wird
- ·■" : 3A1 54A6
verhindert, daß sich die Beanspruchung und die Spannung ■ auf die Halbleiterchips selbst konzentrieren und somit nicht nur eine Ermüdung der Halbleiterchips verursacht, sondern ebenso der Lötverbindungen zwischen den Chips und den Leitungsdrähten 7,8 und zwischen den Chips und dem Horizontalabschnitt der Anschlußplatte 4.
Da schließlich das Harz 9 flexibel ist und zwischen der Basisplatte 1 und dem wärmehärtenden Harz 12 liegt, wird die Elastizität der Leitungsdrähte 7,8 zum vollen Vorteil ausgenutzt. Auf diese Weise beeinflußt die Spannung und Beanspruchung der Strahlungsplatte 3 nicht direkt die Halbleiterchips und die Vorrichtung behält konsistent ihre Eigenschaften über eine lange Zeitperiode.

Claims (8)

HOFFMANN V EITLE & PARTNER 341 54 PATEtJT- UND RECHTSANWÄLTE PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN ■ DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-ING. K. FÜCHSLE · DR. RER. NAT. D. HANSEN · DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GORG DIPL.-ING. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE 40 130 p/hl Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan Gegossene Harz-Halbleitervorrichtung Patentansprüche
1. Gegossene Harz-Halbleitervorrichtung mit einer Vielzahl von miteinander verbundenen Halbleiterchips (5,6), die innerhalb eines einheitlichen Gehäuses angeordnet sind, gekennzeichnet durch
a) ein erstes wärmehärtendes Harz (.13,14), welches die freiliegenden Oberflächen der Halbleiterchips umgeben, b) ein flexibles Harz (9), welches sich auf dem ersten wärmehärtenden Harz (13,14) befindet und dieses umgibt und c) ein zweites wärmehärtendes Harz (12), welches auf dem flexiblen Harz liegt, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten wärmehärtenden Harzes kleiner ist als der des flexiblen Harzes und die Wärmeleitfähigkeit des ersten wärmehärtenden Harzes größer ist als dieses flexiblen Harzes.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterchips Dioden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Harz cheliertes Silizium ist, und daß das erste wärmehärtende Harz ein Epoxyharz ist.
FX L A.STRASS«= Λ ^ »"^MCN 81 . THFFON fOS9") 911O87 · TELEX O5-29S19 CPATHE") · TELEKOPIERFR Q1RS
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite wärrnehärtende Harz dasselbe Material ist.
5. Gegossene Harz-Halbleitervorrichtung mit einer
Strahlungsbasisplatte (1), einer an einem Ende der
Oberfläche der Basisplatte befestigten zylindrischen
Gehäuse (2), einer an der Oberseite der Basisplatte innerhalb des zylindrischen Gehäuses befestigten Isolierplatte (3), einer ersten Anschlußplatte (4), die an
der Oberseite der Strahlungsplatte innerhalb des zylindrischen Gehäuses befestigt ist, einer ersten und zweiten Halbleiterdiode (5,6), von denen jede eine erste und zweite Elektrode aufweist, wobei jede Elektrode mit dem ersten Anschluß (4) verbunden ist, und mit ersten und
zweiten Leitungsdrähten (7,8), welche individuell an
einem Ende der zweiten Elektrode der ersten und zweiten Diode angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes wärmehärtendes Harz (13,14)
den Umfang und die Oberseite der ersten und zweiten Diode abdeckt, daß ein flexibles Harz (9) in das zylindrische Gehäuse gespritzt ist und die Isolierplatte, einen Teil der ersten Anschlußplatte (4), das erste wärmehärtende
Harz (13,14) und einen Teil des ersten und zweiten Leitungsdrahtes (7,8) abdeckt, daß eine zweite und dritte
Anschlußplatte (10,11) individuell mit einem Ende am
anderen Ende des ersten und zweiten Leitungsdrahtes angeschlossen sind, und daß ein zweites wärmehärtendes Harz (12) auf dem ersten wärmehär.tenden Harz innerhalb des
zylindrischen Gehäuses liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten wärmehärtenden Harzes kleiner ist als der des flexiblen Harzes und daß die Wärmeleitfähigkeit des ersten wärmehärtenden Harzes größer ist als des flexiblen Harzes.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Harz cheliertes Silizium und das erste wärmehärtende Harz Epoxyharz ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite wärmehärtende Harz dasselbe Material sind.
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