DE6932087U - Halbleitervorrichtung. - Google Patents

Halbleitervorrichtung.

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DE6932087U
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cooling plate
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DE6932087U
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Description

Texas Instruments Ine,
Unser Zeichen; T 763x
Halbleitervorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterbauelement, das auf einem Kühlkörper montiert, mit Leitern eines Leiterrahmens verbunden und in einem wärmehärtbaren Kunststoff eingekapselt ist, wobei die Halbleitervorrichtung mit mehreren anderen Vorrichtungen gleichzeitig hergestellt wird und dann die Leiter von dem Leiterrahmen und die eingekapselten Vorrichtungen voneinander getrennt werden.
Früher wurden Halbleiterbauelemente, die bei verhältnismäßig hohen Leistungen arbeiten können, auf einem festen Meiallsockel, wie einen Sockel aus Kupfer oder Stahl hergestellt und von einem Metallbecher umschlossen, \ierm diese in einem Becher eingeschlossenen Bauelemente bei Nennwerten oder darunter betrieben wurden, arbeiteten sie entsprechend den angegebenen Daten.Diese von einem Becher umschlossenen Halbleiterbauelemente wiesen zusätzlich zu ihrer teuren Herstellung einen ihnen eigenen Mangel an Vielseitigkeit und eine schlechte Ausnutzung des zur Verfugung stehenden Platzes auf»
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Bei einer bekannten Halbleitervorrichtung dieser Art ist der Kühlkörper mit Vorsprüngen versehen, die jedoch nicht seitlich vom Kühlkörper abstehen, sondern nach oben gebogen sind. Sie können also aus dem Einkapselimgsmaterial herausgezogen werden, weil sie keinen zusätzlichen Widerstand gegen ein solches Herausziehen bieten. Auch bilden bei . der bekannten Halbleitervorrichtung der Kühlkörper, die Leiter und die Leiterrahmen ein einziges Teil, so daß der Kühlrahmen hinsichtlich seiner Wärmeableitfähigkeit nicht ohne weiteres beliebig dimensioniert werden kann»
Mit Hilfe der Erfindung soll eine Halbleitervorrichtung geschaffen werden, die leicht hergestellt werden kann, mechanisch sehr robust ist und auf Grund ihres mechanischen Aufbaus ein gutes elektrisches Leistungsverhalten zeigt.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Kühlkörper ein von den Leitern und dem Leiterrahmen gesondertes Teil ist, daß der Kühlkörper Vorsprünge hat, die in den wärmehärtbaren Kunststoff der Einkapselung ragen, daß einer der Leiter elektrisch und mechanisch mit dem Kühlkörper verbunden ist, und daß der Kühlkörper mit konzentrischen kreisbogenförmigen Nuten zur Begrenzung desFließens des Einkapselungsnaterials versehen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung sind der Kühlkörper sowie die Leiter und der Leiterrahmen aus getrennten Teilen hergestellt, so daß der Kühlkörper ohne weiteres entsprechend den Leistungsanforderungen der Halbleitervorrichtung dimensioniert werden kann. Ferner sorgen die am Kühlkörper angebrachten Vorsprünge dafür, daß eine feste Verbindung mit dem wärmehärtbaren Kunststoff der Einkapselung erzielt wird. Beim Einkapseln des Kühlkörpers sorgen die konzentrischen kreisbogenförmigen Muten dafür, daß das Einkapselungsmaterial nicht unbegrenzt
t t · ■ ι. e
weiterfließt, sondern von den Nuten aufgehalten wird.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:
Fig.1 bis 5 Herstellungsschritte der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtungen,
Fig.6 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Halble ite rvorrichtungen,
Fig.7 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung,
Fig.8 einen Schnitt in der Ebene 8-8 durch die in Fig.7 dargestellte Halbleitervorrichtung,
Fig.9 einen Schnitt durch die Boden- und Deckhälften einer Form zur Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung und
Fig.10 eine Draufsicht auf die untere Hälfte der in Fig.9 dargestellten Form.
In 3?ig.1 bis 5 sind die Ergebnisse der verschiedenen Schritte bei der gleichzeitigen Herstellung einer Vielzahl von Transistoren dargestellt. Ea ist zwar hier die Herstellung von Lei&tung&translstoren beschrieben, die die Verwendung eines Kühlblechs erfordern, doch kann das hier beschriebene Verfahren uutürlich auch zur Herstellung anderer Halbleiterbauelemente mit und rhne Kühlflächen verviiendet werden.
In 3?ig.1 und 3?ige2 ist ein aus 12 einzelnen Kühlblechen -^ bestehender Kühlblechrahme\ 10 dargestellt, der in einen
Leiterrahmen 12 gesteckt ist, fisr aus 36 durch Verbindungs= leisten 14, 16 und 18 miteinander verbundenen Leitern besteht. Die Verbindungsleisten zwischen zwei Leitern sind so ausgelegt, dass sie sich bis zur Kante der Formausneamung erstrecken, wie noch erläutert wird. Die Konstruktion verleiht der Verbindußgsleiste eine Doppelfunktion; sie verbindet einerseits die Leiter miteinander und bildet andrerseits zwischen den Leitern eine Abdichtung der Ausnehmung. Damit die Trennung der Leiter und die Entfernung des Verbindungsleistenraaterials erleichtert wird, sind diese Verbindungs- ^" ·; leisten teilweise abgeschert. Die abgescherten Bereiche
sind trapezähnlich ausgebildet. Dies ermöglicht ein Abscheren der Verbindungsleiste und ein Zurückdrücken in ihre flacheAusgangsforcc, damit sie als Formdichtung wirkt.
Man beachte, dass jedem der 12 Kühlbleche 3 Leiter zugeordnet sind. Der Kühlblechrahmen 10 und der Leiterrahmen sind mit Hilfe des Mitt&Leiters dieser Gruppe von drei Leitern zusammeagesteckt. Auf diese Weise ist der Mittelleiter jeder Gruppe aus drei Leitern in der dargestellten
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Ausführungsform mechanisch und elektrisch mit aera Kühlblech verbunden. Dies entspricht der üblichen Leistungstransistorheratellung, bei der der Kollektor elektrisch mit dem Kühlblech verbunden ist.
Vorzugsweise bestehen der Kühlblechrahmen 10 und der Leiterrahmen 12 aus einem beschichteten Kupfermaterial·. Versilbertes Kupfer hat sich al3 ein zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens zufriedenstellendes Material erwiesen, doch können auch andere Materialien wie vernickeltes Kupfer, gewisse Vorteile besitzen. Wenn die Leistungswerte so gross sind, dass die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer nicht erforderlich ist, kann auch Aluminium (rein beschichtet oder plattiert) verwendet werden.
Nachdem der Kühlblechrahmen 10 mit dem Leiterrahmen 12 zusammengesteckt worden ist, wird auf jedem der einzelnen Kühlbleche im Verlängerungsbereich der Leiter ein Lötraetalltropfen 19 angebracht, wie in I1Ig. 1 dargestellt ist. Als nächstes wird ein Halbleiterplättchen 20 (beispielsweise ein Transistorplättchen) mit Hilfe von Hochfrequenz-Schwingungen vibrierend in den Lötmetalltropfen eingedrückt. Dieser unter Vibrieren erfolgende Eindrückvorgang stellt sicher, dass eine gute mechanische Verbindung mit dem Kühlblech hergestellt worden ist5. so dass der bestmögliche Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem Plättchen und dem Kühlblech geschaffen wird.
Wenn die Halbleiterplättchen "feucht" , d.h. mit ein wenig vorher auf der Kollektorfläche abgeschiedenen Lötraetalls angeliefert werden, dann kann der Verfahrensschritt, bei dem ein Lötcetalltropfen auf dem Kühlblech
-e -
angebracht wird, ausgelassen werden. Ebatt dessen wird ύ
der Kühlblechrahmen 10 auf den Schmelzpunkt des lot- I'
metalls erhitzt, und das "feuchte" Halbleiterplättchen |
wird vibrierend auf das erwärmte Kühlblech gedrückt. |
Nachdem die Halbleiterplättchen auf dem Kühlblech )
befestigt worden sind, werden nach Pig.3 Katzenhaar- | drähte 22 und 24 mit Hilfe von Ultraschall mit den
aktiven Bereichen des Plättchens und mit den Leitern /j
des Leiterrahmens 12 verbunden. Vom elektrischen Stand- «; punkt her ist die Herstellung der Transistoren in diesem
Stadium vollendet. Der Emitter und die Basis des Halb- ) leiterplättchens 20 werden mit d^n Leitern 22 und 24
verbunden, und der Kollektor ist mit dem Kühlblech und ;
mit einem Leiter am Leiterrahmen 12 elektrisch verbunden. ;
Das Einkapselungsverfahren der Transistoren beginnt damit, ^ dass die Halbleiterplättchen in einem chemischen Bad j geätzt werden, damit Fehler und Verunreinigungen des : Plättchens beseitigt werden, die sich das Plättchen
während der Behandlung und durch den Zutritt der Atmosphäre zugezogen hat. Dieses Ätzen entspricht dem " ' herkömmlichen Verfahren, und es ist nur bei M*sa- '
Transistoren erforderlich. Nach dem Ätzschritt wird
die gesamte Anordnung zur Entfernung des Ätzmittels
gewascheu und dann getrocknet. Es sei bemerkt, dass
der Leiterrahmen 12 einen bequemen und grossen Griff
bildet, mit dem die Anordnung zu den verschiedenen
Fabrikationsorten transportiert werden kann. Dadurch
wird die Möglichkeit einer zufälligen Zerstörung eines
Halbleiterplättchens durch eine Bedienungsperson beträchtlich verringert. Dies steht im Gegensatz zu den
bei der Herstellung von Transistoren auf einer einzelnen
6932087305.74 1
-.7 -
Grundplatte angewendeten Verfahren.
Unmittelbar nach Beendigung des Wasch- und Trockenvorgangs wird jedes der Plättchen mit ausserst reinem Silikonkautschuk beschichtet. Diese Beschichtung schützt die empfindlichen Übergangszonen der Halbleiterplättchen nun davor, zusätzlich einer Verunreinigung durch die Umgebungsatraosphäre ausgesetzt zu sein.
Als besonderes Merkmal besitzen die Kühlbleche einen genuteten Aufbau. In jedes der Kühlbleche sind zwei aus konzentrischen Kreisabschnitten bestehende Nuten 28 und 30 eingeprägt, die eine Sperre bilden, die das Fliessen des Beschichtungsraaterials auf eine in der Pormausnehmung liegende !Fläche einschränkt. Dieses Besenichtungsraaterial ist zwar beim Auftragen ziemlich zähflüssig, doch wird es wesentlich dünnflüssiger, wenn es während des Härtevorgangs erhitzt wird.
Eine Anordnung aus 12 Transistoren ist nun für den gleichzeitigen Einkapselungsvorgang in einer einzigen Formausnehmung bereit. Der Kühlblechrahmen 10 und der Leiterrahmen 12 werden zusammen mit den beschichteten Transistoren in eine Form gebracht, in die edn heisser hitzehärtbarer Kunsteboff eingespritzt wird. Es können zwar verschiedene Kunststoffe verwendet werden, doch hat sich gezeigt, dass ein Silikonkunststoff vorzuziehen ist. Nach dem Formvorgang wird der Kunststoff gehärtet, und die gesamteAnordnung wird aus der Form genommen. In Fig.5 ist eine eingekapselte Anordnung dargestellt, in der die Kunsteboffschiene 32 die in Fig.4 dargestellten Translatoren enthält.
Jeder der drei leiter der einzelnen Transistoren wird nun vom Leiterrahmen 12 getrennt. Dies wird mit einem Stanzwerfezeug durchgeführt, das das Verbinäungsleisenmetall abschneidet. Ein weiteres Merkmal des his: beschriebenen Verfahrens ist die teilweise abgescherte Konstruktion der in Fig.1 dargestellten Verbindungsleisten. Dadurch kann die Verbindungsleiste ohne Zerstörung der Einkapselung abgeschnitten werden. Da das Einkapselungsmaterial eine beträchtliche Menge an Fiberglas enthält, bewirkt ein Schneiden dieses Materials ein voreeitiges Stumpfwerden der Standzwerkzeuge.
Nachdem das Verbindungsleistenmaterial getrenntordon ist und jeder der Leiter von allen anderen im Leiterrahmen getrennt worden ist, wird der Kühlblechrahmen 1C zersägt, damit die Herstellung eines in Kunststoff gekapselten Transistors nach Pig.6 vollendet wird. Das Fiberglas im Einkapselungsmaterial muss zwar bei der Trennung der Kyhlbleche zersägt werden, doch sind diese Klingen grosser, und sie schneiden leicht durch das harte Fiberglasmaterial.
In Fig.7 ist ein weiterer Lpistungstransistor dargestellt, der in einer Reihe von Verfahrensschritten hergestellt worden ist, die denen in Iig.1 bis Fig.5gleichen, Ein Kühlblech 40 ist eines von acht einzelnen Kühlblechen, uie in einem Kühlblechrahmen miteinander verbunden waren. Die Zahl der Transistoren, die gleichzeitig als eine Einhit hergestellt werden kann, ist nicht notwendigerweise auf acht oder zwölf begrenzt, sondern sie kann hauptsächlich abhängig von der sur Durchführung der verschiedenen Schritte verfügbaren Ausrüstung grosser oder kleiner sein. Man beachte, dass das Kühlblech 40 als konzentrische Kreisbogenabschnitte ausgebildete %ten 42 und 44 als Sperren zur
Einschränkung des i'liessens eines Beschichtungsmaterials besitzt, wie oben bereits ausgeführt wurde. Das Kühlblech 40 ist auch mit Kunststoffsperren versehen, die das Haften des Einkapselungsmaterials ara Kuhlblech verbessern. In Fig. ist ein Schnitt durch das Kühlblech 40 dargestellt, in dem die Kunststoffsperren 46 und 43 im einzelnen gezeigt sind. Diese Sperren können einfach durch Schlagen auf die Kante des Kühlblechs mittels eines Formwerkzeugs hergestellt werden, damit ein kleiner Teil des Metalls in die dargestellte Form gedrückt wird. Ähnliche Künststoffsperren sind auch am Kühlblech des in Fig.6 dargestellten Transistors vorgesehen.
Katzenhaardrähte 54 und 56 sind mit den aktiven Elementen eines auf dem Kühlblech befestigten Plättchens 50 und mit den Leitern 52 verbunden. Die gesamte Anordnung ist in einem hitsehärtbaren Kunststoff eingekapselt. Der sich so ergebende Transistor ist in Fig.7 dargestellt, wobei der Kunststoffkörper 58 aber nicht durchsichtig wie in der Darstellung, sondern undurchsichtig ist.
Die Pressspritzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Fig.9 und Pig. 10 allgemein durch das Bezugszeichen angegeben. Die Pressspritsvorrichtung besteht aus einer unteren Formhälfte 72 und einer oberen Formhälfte 74. Die in Fig.10 in der Draufsicht dargestellte untere !Formhälfte 72 enthält die untere Hälfte eines Angusskanals 76, der der einzigen Ausnehmung 78 über einen Spritzsteg 80 fliessenden Kunststoff zuführt. Die untere Formhälfte 72 besitzt auch einen Dichtstreifen 82 und Niederhaltestifte 84. Mne Anordnung aus Einstellstiften ist zwar auch in der unteren Fortahälfte 72 enthalten, doch ist diese Anordnung nicht dargestellt, damit die Zeichnung nicht zu unübersichtlich wird. Diese Stifte
Pj haben den Zweck, die in die Form gebrachten !Teile genau „. auszurichten. Durch Durchführungen in der unteren Form hälfte 72 ragt eine Reihe von Stangen 86 in die Ausnehmung 78, damit die geformten Körper aus der Form herausgedrückt werden können, nachdem sich das Einkapsslungsmaterial verfestigt hat.
Zum gleichzeitigen Einkapseln einer Vielzahl von Halbleiterbauelementen wird die Anordnung nach Fig.4 so auf die untere Formhälfte 72 gelegt, dass der Kühlblechrahmen nach oben blickt, und dass der Leiterrahmen in der Darstellung auf der rechten Seite liegt. Die Vorderkante der Verbindungsleisten, 14 , 16 und 18 des Leiterrahmens 12 fälltmit der Kante der Ausnehmung 78 in der unteren Formhälfte 72 zusammen. Wie oben bereits erwähnt wurde, wird dadurch im Bereich zwischen benachbarten Leitern eine Abdichtung geschaffen, und die Möglichkeit wird verringert, dass in das harte Fiberglasanteil des Einkapselungsmaterials. geschnitten wird.
Die Niederhaltestifte 84 ragen an der Verbindungsleistenkante durch den Leiterrahmen und klemmen das Kühlblech fest gegen die obere Formhälfte 74, wie in Fig. 9 dargestellt ist, wenn die untere Formhälfte 72 vom Stössel 88 in ihre Lage angehoben worden ist. Die auf den Xühlblechrahmen einwirkenden Niederhaltestifte 84 haben zur Folge, dass die Kühlblechflache des fertigen Gehäuses gratfrei ist. Wenn der Stössel 38 die untere Formhälfte 72 in ihre Arbeitsstellung bringt, drückt sich der Abdichtstreifen 82 mehrere Tausendestel Millimier (mils) in den Kühlblechrahmen, damit der Kühlblechrahmen ebenfalls gegen die obere Iormhälfte 74 geklemmt wird, wobei zusätzlich Dickenschwankungen der Metallteile ausgeglichen werden und eine Dichtung geschaffen
tr ti
wird, damit während des E inkapselungs Vorgangs eine Gratbildung verhindert wird. Der Ausdruck "Gratbildung" wird hier allgemein zur Beschreibung eines Aussickerns von Material aus der Formausnehmung verwendet. Wenn die untere Foruahälfte 72 in ihre in Fig.9 dargestellte angehobene Lage gebracht ist, ist die Ausnehmung 78 mit Ausnahme des Spritzstegs 80 strömungsmitteldicht.
Vom Angusskanal 76 aus wird durch den Spritzsteg 80 ein fliessfähiger, hitzehärtbarer Kunststoff (beispielsweise ein Silikonkunststoff) unter beträchtlichem Druck eingespritzt. Der Kunststoff füllt die Ausnehmung 78 aus, wodurch jedes der Halbleiterplättchen vollständig eingekapselt wird.Da die Ausnehmung relativ weit ist, fliesst der Kunststoff mit nur geringer Möglichkeit zur Bildung von Einschlüssen leicht in alle Bereiche. Während der Kunststoff in die Ausnehmung 78 eingespritzt wird, werden sowohl die . obere Formhälfte 74- als auch die untere Formhälfte 72 auf einer Temperatur von 150 bis 1750C gehalten. Nachdem die Ausnehmung vollständig gefüllt worden ist, bleiben die Formen mehrere Minuten lang in ihrer Stellung, damit der Kunststoff zu härten und abzubinden beginnen kann.
Nach diesem vorläufigen Härten wird die untere Formhälfte 72 mit Hilfe des Stössels 88 abgesenkt. Da nur wenig Kunststoff die obere Formhälfte 74 berührt, besteht nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass die Baugruppe an der oberen Formhälfte haftet. Ein beträchtlicher Kunststoffanteil steht jedoch mit der unteren Formhälfte 72 in Berührung, so dass ein gewisses Anhaften auftreten kann. Wenn die untere Formhälfte 72 abgesenkt wird,
- 12 -
stossen üie Stangen 86 schliesalich gegen den Kunststoff körper und üben eine nach oben gerichtete Kraft aus, Diese Kraft reicht aus, die Laugruppe aus der Ausnehmung 78 auszustossen. Der Kunststoff wird nun zusätzlich gehärtet, indem die Baugruppe in einem auf einer zwischen 150 und 1750C liegenden Temperatur gehaltenen Ofen gebracht wird.
Die einzelnen Transistoren können nun getrennt werden. Als erstes werden die Verbindungsleisten abgeschnitten, damit die einzelnen leiter getrennt werden. V/ie oben bereits erwähnt wurde, liegt durch die teilweise Abscherung jeder Verbindungsleiste eine beträchtliche Toleranz vor, damit verhindert wird, dass die Schneidwerkzeuge den Kunststoff zerstören, Nachdem die Verbindungsleisten abgeschnitten worden sind, wird der Kühlblechrahmen zur Trennung der einzelnen Transistoren zersägt.
Schirbzanspruch

Claims (1)

  1. Schutzanspruch
    Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterbauelement, das auf einem Kühlkörper montiert, mit Leitern eines Leiterrahmens verbunden und in einem vrärmehärtbaren Kunststoff eingekapselt ist, wobei die Halbleitervorrichtung mit mehreren anderen Vorrichtungen gleichzeltig hergestellt wird und dann die Leiter von dem Leiterrahmen und die eingekapselten Vorrichtungen
    { ) voneinander getrennt werden, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Kühlkörper (10) ein von den Leitern (52) und dem Leiterrahmen (12) gesondertes Teil ist, daß der Kühlkörper (10, 40) Vorsprünge (46, 48) hat, die in den wärmehärtbaren Kunststoff der Einkapselung ragen, daß einer der Leiter (50) elektrisch und mechanisch mit dem Kühlkörper verbunden ist, und daß der Kühlkörper (10, 40) mit konzentrischen kreisbogenförmigen Nuten (28, 30, 42, 44) zur Begrenzung des Fließens des Einkapselungsmaterials versehen ist.
    Schw/Ba
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