DE3446047C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Montageunterlage zur wärmeleitenden, elektrischen Isolation eines Halbleiterbauelements gegenüber einem Chassis in Form einer Scheibe, die mit Feststoffteilchen gefülltes Polyimid(-amid) umfaßt.

Eine solche Montageunterlage ist aus DE 33 18 729 A1 bekannt, wobei als Feststoffüllung ein Geflecht aus Al₂O₃-Fasern vorgesehen ist.

Aus "Funk-Technik" 38 (1983), Heft 3, S. 96 ist es bekannt, glasfaserverstärkte Silikonscheiben als Montagebeilage zwischen einem Halbleiter und einem Kühlkörper einzusetzen.

DE 31 36 796 A1 offenbart eine ganze Anzahl von unterschiedlichen Isolierplatten, nämlich solche aus Berylliumoxid, Polyimidharz, Glimmer, Epoxyharz, Bornitrid, laminierte Harzplatten mit fluorhaltigen Harzen und Aluminiumoxid mit beidseits aufplattierter Nickelschicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Montageunterlage der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die die erwünschten Eigenschaften hoher Durchschlagfestigkeit, also guter Isolation, und guter Wärmeleitfähigkeit miteinander verbindet und darüber hinaus auch beständig ist gegenüber den relativ hohen Temperaturen, die z. B. beim Schwall-Löten auftreten; darüber hinaus ist auch Beständigkeit gegenüber den Chemikalien erwünscht, mit denen die Unterlage bei der Montage in Kontakt gelangt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Scheibe aus drei übereinanderliegenden Schichten aufgebaut ist, deren mittlere Schicht aus dem Polyimid mit etwa 10 bis 40 Vol.-% Aluminiumoxid und/oder Bornitrid besteht, und daß die beiden äußeren Schichten aus mit anorganischen, isolierenden Feststoffteilchen gefülltem Silikongummi bestehen.

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt teilweise im Schnitt eine Montageunterlage für die Montage einer Halbleitereinrichtung auf einem Chassis.

Fig. 2 zeigt perspektivisch eine Montageunterlage.

Fig. 3 zeigt im Schnitt und auseinandergezogen die einzelnen Schichten einer Montageunterlage.

Die dargestellte Montageunterlage 10 wird als Chassisabdeckung in Kombination mit einer elektrischen Festkörpereinrichtung, etwa einer Transistoranordnung 11, verwendet, wobei die Montageunterlage 10 zwischen der Unterseite des metallischen Basissubstrats des Transistors 11 und dem metallischen Chassis 12 angeordnet ist. Die thermisch leitfähige, elektrisch isolierende Montageunterlage 10 besitzt die Form eines Laminats mit einem Paar von äußeren Schichten 14, 15, die durch eine mittlere Schicht 16 getrennt sind. Die äußeren Schichten 14 und 15 sind vorzugsweise aus gefülltem Silicongummi hergestellt, während die mittlere Schicht 16 ein Film aus Polyimid(-amid) ist, der mit einer Menge eines teilchenförmigen Feststoffs, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid und Bornitrid, gefüllt ist. Alternativ zum Silicongummi können andere film- oder schichtbildende Materialien mit hoher Temperaturwiderstandsfähigkeit verwendet werden. Alternativ kann eine der äußeren Schichten, vorzugsweise diejenige Schicht, die benachbart zu der Halbleitereinrichtung angeordnet ist, als druckempfindlicher Klebefilm ausgebildet sein, um auf diese Weise die Befestigung der Montageunterlage an der Basis der Halbleitereinrichtung zu verbessern. Derartige druckempfindliche Materialien können aus konventionellen Materialien einschließlich gefülltem Silicongummi und dergleichen hergestellt werden.

Polyimid(-amid)-Filme sind kommerziell erhältlich. Polymere Polyimide(-amide) oder Polyimide, auf die hier Bezug genommen wird, sind als allgemeine Klasse von Materialien seit langem bekannt. Diesbezüglich wird auf die US-PS 21 49 286, 24 07 896, 24 21 024 und 25 02 576 verwiesen. Polyimide, die ausgezeichnete Hochtemperaturwiderstandsfähigkeiten besitzen, sind in der US-PS 27 10 853 beschrieben. Diese hochtemperaturwiderstandsfähigen Polyimide werden aus einem aromatischen Dianhydrid, wie etwa Pyromellitsäuredianhydrid zusammen mit einem aromatischen Diamin und insbesondere 4,4′-Diaminodiphenyläther oder Para-Phenylendiamin hergestellt. Polyimide des Typs, der in diesen verschiedenen Patenten beschrieben ist, sind kommerziell erhältlich in verschiedenen Formen, gehärteten Filmen oder Folien, teilweise reagierten Harzen und dergleichen. Des weiteren sind solche Filme kommerziell erhältlich, die mit einem teilchenförmigen Feststoff, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid und Bornitrid gefüllt sind. Insbesondere besitzen die teilchenförmigen Feststoffe vorzugsweise eine Teilchengröße mit einer Hauptabmessung zwischen 2 µm und 30 µm, wobei diese in die Polymermatrix in einer Menge von etwa 10 bis 50 Vol.-% eingearbeitet sind.

Aluminiumoxid- oder Bornitridteilchen können als Füllstoffe für den Polyimid(-amid]-Film in einer Menge von etwa 10 bis 50 Vol.-% verwendet werden. Für die meisten elektrischen Anwendungszwecke wurde jedoch gefunden, daß eine Beladung mit etwa 30 bis 35 Vol.-% für Aluminiumoxid und etwa 30 bis 35 Vol.-% für Bornitrid besonders geeignet ist. Auch ist Bornitrid, das thermisch anisotrop ist, der bevorzugte Füllstoff. Ein Aussetzen gegenüber starken elektrischen Feldern kann bei der Herstellung von Filmen verwendet werden, wenn sie mit Bornitrid gefüllt und gehärtet werden, um beispielsweise die anisotropen thermischen Eigenschaften zu erhöhen.

Wenn Aluminiumoxid als teilchenförmiger Feststoff verwendet wird, ist es allgemein bevorzugt, eine Menge von etwa 30 bis 40 Vol.-% Aluminiumoxidteilchen zu verwenden. Für die meisten Anwendungszwecke werden Teilchengrößen von Aluminiumoxid und Bornitrid im Bereich von etwa 2 bis 10 µm bevorzugt.

Es wurde gefunden, daß die Verwendung von silicongummibeschichteten Polyimid(-amid)-Filmen enthaltend Aluminiumoxid- oder Bornitridfeststoffteilchen eine wünschenswerte Ausgewogenheit von physikalischen und elektrischen Eigenschaften aufweisen einschließlich einer Zähigkeit, die die Fähigkeit der Montageunterlage erhöht, Kräften zu widerstehen, die häufig aufgrund von mit zu starkem Drehmoment angezogenen Schrauben auftreten, und ferner Widerstandsfähigkeit gegen Reißen besitzen, wodurch das Auftreten von elektrischen Kurzschlüssen reduziert oder ausgeschaltet wird, die durch das Durchschneiden oder Spalten von Graten auftreten könnten, während außerdem eine wesentliche Reduktion des thermischen Alterns vorhanden ist. Die Hochtemperatureigenschaften der Polyimid(-amid)-Filme zusammen mit den Silicongummiabdeckungen sind derart, daß die Möglichkeit der Anwendung von Wellenlöttechniken möglich ist, eine Eigenschaft, die bei der Verwendung bei elektronischen Anordnungen wünschenswert ist. Zusätzlich sind die Eigenschaften der durch Silicongummi abgedeckten Polyimid(-amid)-Filme derart, daß die Widerstandsfähigkeit gegen Zerstörung aufgrund des Aussetzens gegenüber Chemikalien oder Lösungsmitteln reduziert ist.

Die äußeren Schichten 14 oder 15 der Montageunterlage 10 sind Silicongummischichten. Vorzugsweise liegt die Härte der Silicongummischicht, wenn sie gehärtet ist, im Bereich von etwa 75. Derartige Silicongummipolymere sind kommerziell erhältlich. Die Polymere sind vorzugsweise mit einer Menge eines teilchenförmigen Feststoffs, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid und Bornitrid, gefüllt. Es wurde festgestellt, daß die elektrischen Eigenschaften von Silicongummi nicht zerstört werden, wenn sie mit Aluminiumoxid- oder Bornitridfeststoffteilchen in dem aufgeführten Bereich gefüllt werden, während für bestimmte Anwendungszwecke die elektrischen Eigenschaften der Montageunterlage verbessert werden. Die Füllmenge der Aluminiumoxid- oder Bornitridteilchen liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 30 bis 40 Vol.-% basierend auf dem Silicongummifeststoff. Die Teilchengröße liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 2 bis 10 µm. Es können auch Mischungen von Aluminiumoxid und Bornitrid verwendet werden.

Bei einem typischen Anwendungsfall, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, bei der ein Transistor 11 auf einem Chassis 12 mit Hilfe von Schrauben 18 und Muttern 19 befestigt ist, wird die elektrische Isolierung über zylindrische Hülsen 19A zusammen mit einer isolierenden Unterlegscheibe 19b erreicht. Ein Anschlußstift 20 erstreckt sich auswärts von dem leitenden Basisteil 21 der Transistoranordnung 11 durch eine Glas/Metall-Dichtung 22 und eine Hülse 23. Der Stift 20 ist in geeigneter Weise mit einer Schaltung gekoppelt. Zur Aufnahme der Schrauben 18 und der Anschlußstifte 20 sind in der Montageunterlage 10 Bohrungen 25 vorgesehen. Die Eigenschaften einer typischen Montageunterlage 10 sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet.

In der Tabelle ist die thermische Leitfähigkeit angegeben, die für Aluminiumoxid-gefülltes Material (18% Füllstoff in dem mittleren Polyimid (-amid)-Film und 35% Füllstoff in den Silicongummischichten) beobachtet wurde. Wenn Bornitrid verwendet wird, steigt der Wert auf 1,5×10^-3 kal/°C cm/sec, wobei die thermische Leitfähigkeit von Bornitrid-gefüllten Materialien durch bestimmte Techniken im Hinblick auf höhere thermische Leitfähigkeit und das anisotrope thermische Verhalten des Materials verbessert werden kann.

Zusätzlich zu Aluminiumoxid und Bornitrid können andere Materialien mit guten elektrischen Eigenschaften und Hochtemperaturfestigkeit verwendet werden, beispielsweise Siliciumoxid, Berylliumoxid, Aluminiumnitrid, Siliciumkarbid und Siliciumnitrid.

Claims (5)

1. Montageunterlage zur wärmeleitenden, elektrischen Isolation eines Halbleiterbauelements gegenüber einem Chassis in Form einer Scheibe, die mit Feststoffteilchen gefülltes Polyimid (-amid) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe aus drei übereinanderliegenden Schichten (14, 15, 16) aufgebaut ist, deren mittlere Schicht (16) aus dem Polyimid mit etwa 10-40 Vol.-% Aluminiumoxid und/oder Bornitrid besteht, und daß die beiden äußeren Schichten (14, 15) aus mit anorganischen, isolierenden Feststoffteilchen gefülltem Silicongummi bestehen.

2. Montageunterlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Schichten (14, 15) mit Feststoffteilchen aus Aluminiumoxid und/oder Bornitrid gefüllt sind.

3. Montageunterlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Feststoffteilchen in den äußeren Schichten (14, 15) zwischen etwa 25 bis 50 Vol.-% liegt.

4. Montageunterlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Schichten (14, 15) jeweils etwa 35 Vol.-% teilchenförmiger Feststoffe aus Aluminiumoxid und/oder Bornitrid enthalten.

5. Montageunterlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schicht im wesentlichen 25 Vol.-% Bornitrid enthält.