RU2322729C1 - Heavy-load-current semiconductor device package - Google Patents
Heavy-load-current semiconductor device package Download PDFInfo
- Publication number
- RU2322729C1 RU2322729C1 RU2006121315/28A RU2006121315A RU2322729C1 RU 2322729 C1 RU2322729 C1 RU 2322729C1 RU 2006121315/28 A RU2006121315/28 A RU 2006121315/28A RU 2006121315 A RU2006121315 A RU 2006121315A RU 2322729 C1 RU2322729 C1 RU 2322729C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- holes
- semiconductor crystal
- ceramic casing
- ceramic
- casing
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относятся к области конструктивных элементов полупроводниковых приборов, в частности к корпусам с полой конструкцией и электропроводным основанием для полупроводниковых приборов с высокой нагрузкой по току, предназначенных для монтажа и обеспечения функционирования полупроводникового кристалла в электрических цепях модулей энергопитания, управления, связи и др., работающих в экстремальных условиях, например, космического пространства.The invention relates to the field of structural elements of semiconductor devices, in particular to cases with a hollow structure and an electrically conductive base for semiconductor devices with a high current load, intended for mounting and ensuring the functioning of a semiconductor crystal in the electrical circuits of power supply, control, communication, etc. modules that work in extreme conditions, such as outer space.
Для полупроводниковых приборов, используемых в силовых модулях, обычно применяются подложки схем, имеющие керамическую подложку, рисунок схемы и теплоотводящую пластину, образованные соответственно на передней и задней сторонах керамической подложки, или применяют корпуса, состоящие из керамической подложки, на которой монтируют полупроводниковый кристалл, присоединенные к ней выводные рамки и керамический элемент для герметизации полупроводникового кристалла, также присоединенного к керамической подложке [Описание изобретения к патенту РФ №2204182, МПК7 Н01L 25/00, опубл. 26.05.2000]. Эти подложки схем имеют такое качество, что стабильно достигаются высокие диэлектрические свойства по сравнению с полимерными подложками или составными подложками из полимерной подложки и металлической подложки.For semiconductor devices used in power modules, circuit substrates having a ceramic substrate, a circuit pattern and a heat sink plate formed respectively on the front and back sides of the ceramic substrate are usually used, or housings consisting of a ceramic substrate on which a semiconductor crystal is mounted attached lead frames and a ceramic element for sealing a semiconductor crystal, also attached to a ceramic substrate [description of the invention to atentu RF №2204182, IPC 7 N01L 25/00, publ. May 26, 2000]. These circuit substrates are of such quality that high dielectric properties are stably achieved compared to polymer substrates or composite substrates of a polymer substrate and a metal substrate.
Однако такие подложки обладают низкой теплоотводящей способностью и существенно ограничивают токовые нагрузки на полупроводниковый прибор. Кроме того, из-за различия теплового расширения рисунка схемы и керамической подложки или пайки существует тенденция образования трещин в керамической подложке при повторяющихся тепловых циклах, что приводит к нарушению герметичности корпуса полупроводникового прибора.However, such substrates have low heat dissipation and significantly limit the current loads on the semiconductor device. In addition, due to the difference in thermal expansion of the pattern of the circuit and the ceramic substrate or soldering, there is a tendency to crack in the ceramic substrate during repeated thermal cycles, which leads to a violation of the tightness of the body of the semiconductor device.
Повышения теплоотводящей способности корпусов для полупроводниковых приборов, например, достигают путем установки полупроводникового кристалла на нижней поверхности монтажной площадки выводной рамки, обладающей повышенной теплопроводностью. От монтажной площадки выступают, по меньшей мере, четыре выполненных заодно с ней вывода. Выводная рамка содержит также изолированные от монтажной площадки выводы. Кристалл полупроводникового прибора и выводная рамка залиты в корпусе из полимерного компаунда [Описание изобретения к патенту США №6242800, НКл. 257-712, опубл. 05.06.2001].Improving the heat dissipation ability of housings for semiconductor devices, for example, is achieved by installing a semiconductor crystal on the lower surface of the mounting pad of the output frame, which has increased thermal conductivity. At least four outputs made at the same time as protruding from the mounting pad. The lead frame also contains leads isolated from the mounting pad. The crystal of the semiconductor device and the output frame are filled in the housing of a polymer compound [Description of the invention to US patent No. 6242800, Ncl. 257-712, publ. 06/05/2001].
Несмотря на получение возможности отведения тепла от полупроводникового кристалла через материал, соединяющий кристалл с монтажной площадкой, монтажную площадку выводной рамки и ее выводы, величина отводящегося теплового потока ограничивается сечением выводов монтажной площадки, а сама конструкция корпуса затрудняет применение дополнительных теплоотводящих элементов, например радиаторов.Despite the possibility of heat removal from the semiconductor chip through the material connecting the crystal to the mounting pad, the mounting pad of the output frame and its conclusions, the amount of heat dissipated is limited by the cross section of the findings of the mounting pad, and the housing design itself makes it difficult to use additional heat-removing elements, such as radiators.
Более высокую нагрузку по току при прочих одинаковых условиях позволяет пропускать корпус полупроводникового прибора и выводная рамка с соединительными площадками большой площади, содержащая три внешних вывода. Площадь контактной площадки выводной рамки, на которой смонтирован полупроводниковый кристалл, увеличена, так же как и площадь поперечною сечения выводов. Контактная площадка выводной рамки вместе с полупроводниковым кристаллом залиты полимерным компаундом так, что поверхность контактной площадки напротив главной области кристалла, имеющая длинную плоскую область, не покрыта компаундом. Корпус имеет коническую торцевую поверхность, позволяющую отжать монтажную пружину при поверхностном монтаже [Описания изобретений к патентам США №64/6481, НКл. 257-696, опубл. 05.11.2002 и №6667547. НКл. 257-696, опубл. 23.12.2003].All other conditions being the same, a higher current load allows the semiconductor device housing and the lead-out frame with large connecting areas to be passed through, containing three external terminals. The contact pad area of the lead-out frame on which the semiconductor crystal is mounted is increased, as well as the cross-sectional area of the leads. The contact pad of the lead-out frame together with the semiconductor crystal is filled with a polymer compound so that the surface of the contact pad opposite the main region of the crystal, having a long flat region, is not covered by the compound. The housing has a tapered end surface that allows you to squeeze the mounting spring during surface mounting [Descriptions of inventions to US patents No. 64/6481, Ncl. 257-696, publ. 11/05/2002 and No. 6667547. NKl. 257-696, publ. 12/23/2003].
Конструкция корпуса с открытой от полимерного компаунда плоскостью выводной рамки и конической торцевой поверхностью предусматривает интенсивный отвод тепла от полупроводникового кристалла путем теплопередачи через контактную площадку, тело выводной рамки и ее открытую плоскость к устройству, на котором монтируют полупроводниковый прибор, например к радиатору, обладающему повышенной способностью рассеивания тепла в окружающую или теплоотводящую среду. Эффективному отводу тепла способствует монтажная пружина, прижимающая полупроводниковый прибор к поверхности радиатора.The housing design with the lead-out plane open from the polymer compound and the conical end surface provides for intensive heat removal from the semiconductor crystal by heat transfer through the contact pad, the lead-out frame body and its open plane to the device on which the semiconductor device is mounted, for example, to a radiator with increased ability heat dissipation into the environment or heat sink. An effective heat dissipation is facilitated by a mounting spring, which presses the semiconductor device to the surface of the radiator.
Известна также аналогичная конструкция сильноточного полупроводникового прибора очень большой мощности в полимерном корпусе с электропроводным лепестковым выводом, содержащего толстую плоскую электропроводную клемму, на которой установлен полупроводниковый кристалл. Корпус содержит также тонкий электропроводный лепестковый вывод, расположенный подобно продолжению толстой плоской клеммы, но в плоскости выше плоскости клеммы и электрически изолированный от этой клеммы. С этим лепестковым выводом соединен верхний электрод кристалла, после чего смежные концы лепесткового вывода и клеммы, а также кристалла и выводы кристалла залиты в блок полимерного компаунда. На свободном конце лепесткового вывода могут быть выполнены выступы для соединения с печатной платой. В боковых сторонах лепесткового вывода сделаны два выреза, расположенные в непосредственной близости к стенке блока полимерного компаунда, из которой выступает лепестковый вывод. Эти вырезы уменьшают действующие на блок компаунда механические напряжения [Описание изобретения к патенту США №6348727, НКл. 257-675, опубл. 19.02.2002].A similar design of a very high power high-current semiconductor device in a polymer case with an electrically conductive tab terminal containing a thick flat conductive terminal on which a semiconductor crystal is mounted is also known. The housing also contains a thin conductive flap terminal, located similar to the continuation of a thick flat terminal, but in a plane above the plane of the terminal and electrically isolated from this terminal. The upper electrode of the crystal is connected to this petal lead, after which the adjacent ends of the petal lead and the terminals, as well as the crystal and the crystal leads, are filled into the polymer compound block. At the free end of the tab terminal, protrusions for connecting to the printed circuit board can be made. Two cutouts are made on the sides of the petal lead, located in close proximity to the wall of the polymer compound block, from which the petal lead protrudes. These cutouts reduce mechanical stresses acting on the compound unit [Description of the invention to US Pat. No. 6,348,727, Ncl. 257-675, publ. 02/19/2002].
К недостатку полупроводниковых приборов с открытой от полимерного компаунда плоскостью выводной рамки (клеммы), на противоположной плоскости которой смонтирован полупроводниковый кристалл, следует отнести малый диапазон рабочих температур (-40...+100°С), низкие значения показателя герметичности (10-2...10-3 л·мкм рт. ст./с) и надежности изделия, не отвечающие требованиям к приборам специального назначения.The disadvantage of semiconductor devices with the plane of the output frame (terminal) open from the polymer compound, on the opposite plane of which the semiconductor crystal is mounted, is the small range of operating temperatures (-40 ... + 100 ° С), low values of the tightness index (10 -2 ... 10 -3 l · μm Hg.article / s) and product reliability that do not meet the requirements for special-purpose devices.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков заявляемому техническому решению является конструкция корпуса полупроводникового прибора с высокой допустимой нагрузкой по току, содержащая выводную рамку с множеством выводов, один из которых соединен с цельной (без отверстий) электропроводящей подложкой, на которой смонтирован полупроводниковый кристалл. Общий и сплошной литой кожух закрывает полупроводниковый кристалл и, по крайней мере, сторону подложки, на которой смонтирован полупроводниковый кристалл. Этот кожух имеет сквозные монтажные отверстия, в которых множество электрически изолированных выводов выводной рамки выступают из указанного литого кожуха параллельно друг другу вдоль общей плоскости. Литой кожух имеет, по крайней мере, одну прорезь на внешней части, перпендикулярную направлению выступания множества выводов, расположенную между двумя смежными выводами, выполненными от вершины указанного литого кожуха до его основания, шириной больше у вершины и у основания, чем в середине этой прорези. Электропроводящая подложка имеет вторую поверхность, противоположную поверхности размещения полупроводникового кристалла, которая расположена вне литого кожуха. Чтобы уменьшить поступление влаги вовнутрь указанного прибора, электропроводящая подложка содержит, по крайней мере, одну клемму, расположенную вне кожуха - по другую сторону от полупроводникового кристалла. Полупроводниковый кристалл при этом имеет прямоугольную форму, а клемма расположена в противоположном углу от кристалла [Описание изобретения к патенту США №6255722, НКл. 257-676, опубл. 03.07.2001].The closest to the essential features of the claimed technical solution is the design of the case of a semiconductor device with a high permissible current load, containing an output frame with many terminals, one of which is connected to a solid (without holes) conductive substrate on which a semiconductor crystal is mounted. A common and continuous cast casing covers the semiconductor crystal and at least the side of the substrate on which the semiconductor crystal is mounted. This casing has through mounting holes in which a plurality of electrically isolated terminals of the lead frame protrude from said cast casing parallel to each other along a common plane. The molded casing has at least one slot on the outer part perpendicular to the direction of protrusion of the plurality of leads, located between two adjacent leads made from the top of the specified molded casing to its base, with a width greater at the top and at the base than in the middle of this slot. The electrically conductive substrate has a second surface opposite to the surface of the semiconductor chip, which is located outside the molded casing. To reduce the flow of moisture inside the specified device, the electrically conductive substrate contains at least one terminal located outside the casing - on the other side of the semiconductor crystal. The semiconductor crystal in this case has a rectangular shape, and the terminal is located in the opposite corner from the crystal [Description of the invention to US patent No. 6255722, Ncl. 257-676, publ. 07/03/2001].
Обеспечивая эффективный отвод тепла от полупроводникового кристалла, предложенная конструкция корпуса полупроводникового прибора позволяет при сравнительно малых его размерах и стоимости включать прибор в электрические цепи силовых модулей большой мощности. Однако из-за различия теплофизических свойств материалов, применяемых при изготовлении корпуса, и конструктивных особенностей сопряжения кожуха с электропроводящей подложкой и выводами выводной рамки возникает проблема обеспечения герметичности корпуса, что отрицательно сказывается на надежности работы электронных модулей. Предложенная конструкция клемм на электропроводящей подложке не исключает, а лишь уменьшает вероятность разгерметизации корпуса, что и продекларировано в формуле изобретения.Providing effective heat removal from the semiconductor crystal, the proposed design of the housing of the semiconductor device allows for its relatively small size and cost to include the device in the electrical circuits of high-power power modules. However, due to the difference in the thermophysical properties of the materials used in the manufacture of the housing and the design features of the interface between the housing and the electrically conductive substrate and the leads of the lead frame, the problem arises of ensuring the integrity of the housing, which negatively affects the reliability of the electronic modules. The proposed design of the terminals on the electrically conductive substrate does not exclude, but only reduces the likelihood of depressurization of the housing, which is declared in the claims.
Задача, решаемая первым изобретением группы, и получаемый технический результат заключаются в создании герметичного корпуса полупроводникового прибора с высокой нагрузкой по току, который обладает эффективной теплоотводящей способностью при высокой надежности работы полупроводникового прибора в электрических цепях силовых модулей.The problem solved by the first invention of the group and the technical result obtained are to create a sealed enclosure of a semiconductor device with a high current load, which has an effective heat sink with high reliability of the semiconductor device in the electrical circuits of power modules.
Дополнительный технический результат настоящего изобретения заключается в создании технологичной конструкции указанного корпуса, что позволит при его массовом производстве получить реальную экономию материальных и трудовых ресурсов.An additional technical result of the present invention is to create a technological design of the specified housing, which will allow for its mass production to obtain real savings in material and labor resources.
Для решения поставленной задачи и получения заявленного технического результата в корпусе полупроводникового прибора с высокой нагрузкой по току, содержащем электропроводящую подложку, обладающую повышенной теплопроводностью, на поверхности размещения полупроводникового кристалла которой смонтирована выводная рамка с выводами, расположенными параллельно основанию полупроводникового кристалла, на противоположной поверхности выводной рамки размещен керамический кожух, имеющий несколько сквозных отверстий, при этом противоположная основанию полупроводникового кристалла поверхность подложки выполнена открытой, а соединения подложки с выводной рамкой и выводной рамки с керамическим кожухом сделаны герметичными пайкой твердым припоем, сквозные отверстия в керамическом кожухе расположены перпендикулярно к поверхности размещения основания полупроводникового кристалла, при этом, по крайней мере, одно из сквозных отверстий керамического кожуха, называемое основным, имеет размеры, превышающие габаритные размеры полупроводникового кристалла, а остальные сквозные отверстия керамического кожуха имеют выход на поверхность соединения керамического кожуха с выводной рамкой, на соответствующие выводы которой установлены столбиковые выводы, размещенные в сквозных отверстиях, кроме того на поверхности керамического кожуха, противоположной расположению выводной рамки, выполнена выемка с границами, проходящими по внешним границам сквозных отверстий или далее их, и глубиной, превышающей толщину гибких выводов полупроводникового кристалла, и установлен герметично с керамическим кожухом ободок из материала с повышенной теплопроводностью, выполненный с возможностью герметичного контакта с крышкой после монтажа полупроводникового кристалла.To solve the problem and obtain the claimed technical result in the case of a semiconductor device with a high current load, containing an electrically conductive substrate having high thermal conductivity, on the surface of the semiconductor crystal which is mounted output frame with leads located parallel to the base of the semiconductor crystal, on the opposite surface of the output frame placed ceramic casing having several through holes, while the opposite the surface of the semiconductor crystal is open, and the connections of the substrate with the output frame and the output frame with the ceramic casing are sealed by brazing, through holes in the ceramic casing are perpendicular to the surface of the base of the semiconductor crystal, at least one of through holes of the ceramic casing, called the main one, has dimensions exceeding the overall dimensions of the semiconductor crystal, and the rest are through e holes of the ceramic casing have access to the connection surface of the ceramic casing with the output frame, the corresponding conclusions of which are equipped with bar-shaped terminals placed in through holes, in addition, a recess is made on the surface of the ceramic casing opposite to the location of the output frame, along the borders passing through the outer borders of the through holes or further them, and a depth exceeding the thickness of the flexible leads of the semiconductor crystal, and is mounted hermetically with a ceramic casing a rim of ma Methods and material with high thermal conductivity, capable of sealing engagement with the lid after mounting the semiconductor chip.
Кроме этого, выводная рамка и ободок выполнены, по крайней мере, биметаллическими, причем слой металла, соединяемый с керамическим кожухом, состоит из сплава ковар, а электропроводящая подложка и выводная рамка выполнены как единое целое.In addition, the lead frame and the rim are made at least bimetallic, and the metal layer connected to the ceramic casing consists of a Kovar alloy, and the electrically conductive substrate and the lead frame are made as a whole.
Ранее описанный уровень техники подходит и для второго изобретения группы.The previously described prior art is suitable for the second invention of the group.
Задача, решаемая вторым изобретением группы и достигаемый технический результат также заключается в создании герметичного корпуса полупроводникового прибора с высокой нагрузкой по току, который обладает эффективной теплоотводящей способностью при высокой надежности работы полупроводникового прибора в электрических цепях силовых модулей.The problem solved by the second invention of the group and the technical result achieved also consists in creating a sealed enclosure of a semiconductor device with a high current load, which has an effective heat sink with high reliability of the semiconductor device in the electrical circuits of power modules.
Дополнительный технический результат второго изобретения также заключается в создании технологичной конструкции указанного корпуса, что позволит при его массовом производстве получить реальную экономию материальных и трудовых ресурсов.An additional technical result of the second invention also lies in the creation of a technological design of the specified housing, which will allow real mass saving of material and labor resources during its mass production.
Для решения поставленной задачи и получения заявленного технического результата в корпусе полупроводникового прибора с высокой нагрузкой по току, содержащем электропроводящую подложку, обладающую повышенной теплопроводностью, на поверхности размещения полупроводникового кристалла которой смонтирована выводная рамка с выводами, расположенными параллельно основанию полупроводникового кристалла, на противоположной поверхности выводной рамки размещен керамический кожух, имеющий несколько сквозных отверстий, при этом противоположная основанию полупроводникового кристалла поверхность подложки выполнена открытой, а соединения подложки с выводной рамкой и выводной рамки с керамическим кожухом сделаны герметичными пайкой твердым припоем, сквозные отверстия в керамическом кожухе расположены перпендикулярно к поверхности размещения основания полупроводникового кристалла, при этом, по крайней мере, одно из сквозных отверстий керамического кожуха, называемое основным, имеет размеры, превышающие габаритные размеры полупроводникового кристалла, а остальные сквозные отверстия керамического кожуха имеют по одному пазу каждое, расположенному на поверхности соединения керамического кожуха с выводной рамкой перпендикулярно сквозному отверстию и направленному в сторону от основного отверстия до торца керамического кожуха, с размерами, превышающими размеры сквозного отверстия, и глубиной, превышающей толщину выводной рамки, поверхности пазов, параллельные основанию полупроводникового кристалла, герметично соединены с соответствующими выводами выводной рамки, на которые установлены столбиковые выводы, размещенные в сквозных отверстиях, имеющих пазы, кроме того, на поверхности керамического кожуха, противоположной расположению выводной рамки, выполнена выемка с границами, проходящими по внешним границам сквозных отверстий или далее их, и глубиной, превышающей толщину гибких выводов полупроводникового кристалла, и установлен герметично с керамическим кожухом ободок из материала с повышенной теплопроводимостью, выполненный с возможностью герметичного контакта с крышкой после монтажа полупроводникового кристалла.To solve the problem and obtain the claimed technical result in the case of a semiconductor device with a high current load, containing an electrically conductive substrate having high thermal conductivity, on the surface of the semiconductor crystal which is mounted output frame with leads located parallel to the base of the semiconductor crystal, on the opposite surface of the output frame placed ceramic casing having several through holes, while the opposite the surface of the semiconductor crystal is open, and the connections of the substrate with the output frame and the output frame with the ceramic casing are sealed by brazing, through holes in the ceramic casing are perpendicular to the surface of the base of the semiconductor crystal, at least one of through holes of the ceramic casing, called the main one, has dimensions exceeding the overall dimensions of the semiconductor crystal, and the rest are through e holes of the ceramic casing have one groove each, located on the surface of the connection of the ceramic casing with the output frame perpendicular to the through hole and directed away from the main hole to the end of the ceramic casing, with dimensions exceeding the size of the through hole and a depth exceeding the thickness of the output frame, groove surfaces parallel to the base of the semiconductor crystal are hermetically connected to the corresponding outputs of the output frame, on which the columnar water placed in the through holes having grooves, in addition, on the surface of the ceramic casing opposite the location of the lead frame, a recess is made with borders extending along the outer borders of the through holes or further therethrough and a depth exceeding the thickness of the flexible leads of the semiconductor crystal, and installed hermetically with a ceramic casing a rim of a material with increased heat conductivity, made with the possibility of tight contact with the lid after mounting a semiconductor crystal.
Кроме этого, выводная рамка и ободок, как и в предыдущем решении, выполнены, по крайней мере, биметаллическими, причем слой металла, соединяемый с керамическим кожухом, состоит из сплава ковар, а электропроводящая подложка и выводная рамка выполнены как единое целое.In addition, the lead-out frame and the rim, as in the previous solution, are made at least bimetallic, and the metal layer connected to the ceramic casing consists of a Kovar alloy, and the electrically conductive substrate and the lead-out frame are made as a whole.
Изобретения поясняются чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where
- на фиг.1 показан общий вид предлагаемого корпуса полупроводникового прибора с высокой нагрузкой по току - первый и второй варианты;- figure 1 shows a General view of the proposed housing of a semiconductor device with a high current load - the first and second options;
- на фиг.2 представлено сечение А-А первого варианта корпуса фиг.1;- figure 2 presents a section aa of the first embodiment of the housing of figure 1;
- на фиг.3 изображен керамический кожух первого варианта корпуса в аксонометрии;- figure 3 shows a ceramic casing of the first embodiment of the housing in a perspective view;
- на фиг.4 показан вариант сечения А-А фиг.1 - возможное исполнение конструкции первого варианта корпуса полупроводникового прибора, в котором электропроводящая подложка и выводная рамка выполнены как единое целое;- figure 4 shows a variant of the cross-section aa of figure 1 - a possible construction of the first variant of the housing of the semiconductor device, in which the conductive substrate and the output frame are made as a whole;
- на фиг.5 представлено сечение А-А второго варианта корпуса фиг.1;- figure 5 presents a section aa of the second variant of the housing of figure 1;
- на фиг.6 изображен керамический кожух второго варианта корпуса в аксонометрии;- figure 6 shows a ceramic casing of the second variant of the housing in a perspective view;
- на фиг.7 показан вариант сечения А-А фиг.1 - возможное исполнение конструкции второго варианта корпуса полупроводникового прибора, в котором электропроводящая подложка и выводная рамка выполнены как единое целое.- figure 7 shows a variant of the cross-section aa of figure 1 - a possible design of the second variant of the housing of the semiconductor device, in which the conductive substrate and the output frame are made as a whole.
Первый вариант корпуса полупроводникового прибора с высокой нагрузкой по току состоит из электропроводящей подложки 1, обладающей повышенной теплопроводностью, на поверхности 2 размещения полупроводникового кристалла которой смонтирована выводная рамка 3 с выводами, расположенными параллельно основанию полупроводникового кристалла. На противоположной поверхности выводной рамки 3 размещен керамический кожух 4 (см. фиг.2), имеющий несколько сквозных отверстий 5 и 6 (см. фиг.3). При этом противоположная основанию полупроводникового кристалла поверхность 7 подложки 1 выполнена открытой, а соединения 8 подложки 1 с выводной рамкой 3 и выводной рамки 3 с керамическим кожухом 4 сделаны герметичными пайкой твердым припоем. Сквозные отверстия 5 и 6 в керамическом кожухе 4 расположены перпендикулярно к поверхности 2 размещения основания полупроводникового кристалла. При этом, по крайней мере, одно из сквозных отверстий 5 керамического кожуха 4, называемое основным, имеет размеры, превышающие габаритные размеры полупроводникового кристалла, а остальные сквозные отверстия 6 керамического кожуха 4, имеют выход на поверхность соединения керамического кожуха 4 с выводной рамкой 3, на соответствующие выводы которой установлены столбиковые выводы 9, размещенные в сквозных отверстиях 6. Кроме того, на поверхности керамического кожуха 4, противоположной расположению выводной рамки 3, выполнена выемка 10 (см. фиг.3) с границами, проходящими по внешним границам сквозных отверстий 5 и 6 или далее их, и глубиной, превышающей в толщину гибких выводов полупроводникового кристалла, и установлен герметично с керамическим кожухом 4 ободок 11 (см фиг.2) из материала с повышенной теплопроводностью, выполненный с возможностью герметичного контакта с крышкой после монтажа полупроводникового кристалла.The first variant of the case of a semiconductor device with a high current load consists of an electrically
Кроме перечисленного, выводная рамка 3 и ободок 11 выполнены, по крайней мере, биметаллическими, причем слой металла, соединяемый с керамическим кожухом 4, состоит из сплава ковар, а электропроводящая подложка 1 и выводная рамка 3 могут быть выполнены как единое целлон 1а (см. фиг.4)In addition to the above, the lead-out
В связи с зависимостью размеров корпуса полупроводникового прибора от предельной величины тока, проходящего через полупроводниковый кристалл, существуют такие размеры корпуса, при которых технологически затруднительно обеспечить заданную величину сопротивления изоляции между отдельными выводами выводной рамки 3 (или 1а на фиг.4) из-за отклонений при нанесении рисунка металлизации на керамическом корпусе 4 и растекания припоя при соединении деталей корпуса. Именно с целью обеспечения стабильного качества корпусов полупроводниковых приборов малых размеров и была разработана конструкция корпуса полупроводникового прибора с высокой нагрузкой по току.Due to the dependence of the dimensions of the case of the semiconductor device on the limit value of the current passing through the semiconductor crystal, there are such dimensions of the case at which it is technologically difficult to provide a given value of insulation resistance between the individual terminals of the output frame 3 (or 1a in FIG. 4) due to deviations when applying a metallization pattern on the
Второй вариант корпуса также состоит из электропроводящей подложки 1, обладающей повышенной теплопроводностью, на поверхности 2 размещения полупроводникового кристалла которой смонтирована выводная рамка 3 с выводами, расположенными параллельно основанию полупроводникового кристалла. На противоположной поверхности выводной рамки 3 размещен керамический кожух 4, имеющий несколько сквозных отверстий 5 и 6 (см. фиг.6). При этом противоположная основанию полупроводникового кристалла поверхность 7 подложки 1 выполнена открытой, а соединения 8 подложки 1 с выводной рамкой 3 и выводной рамки 3 с керамическим кожухом 4 сделаны герметичными пайкой твердым припоем. Сквозные отверстия 5 и 6 в керамическом кожухе 4 расположены перпендикулярно к поверхности 2 размещения основания полупроводникового кристалла. При этом, по крайней мере, одно из сквозных отверстий 5 керамического кожуха 4, называемое основным, имеет размеры, превышающие габаритные размеры полупроводникового кристалла, а остальные сквозные отверстия 6 керамического кожуха 4 имеют по одному пазу 12 (см. фиг.6) каждое, расположенному на поверхности соединения керамического кожуха 4 с выводной рамкой 3 перпендикулярно сквозному отверстию 6 и направленному в сторону от основного отверстия 5 до торца керамического кожуха 4, с размерами, превышающими размеры сквозного отверстия 6, и глубиной, превышающей толщину выводной рамки 3. Поверхности пазов 12, параллельные основанию полупроводникового кристалла, герметично соединены с соответствующими выводами выводной рамки 3, на которые установлены столбиковые выводы 9, размещенные в сквозных отверстиях 6, имеющих пазы 12. Кроме того, на поверхности керамического кожуха 4, противоположной расположению выводной рамки 3, выполнена выемка 10 с границами, проходящими по внешним границам сквозных отверстий 5 и 6 или далее их, и глубиной, превышающей толщину гибких выводов полупроводникового кристалла, и установлен герметично с керамическим кожухом 4 ободок 11 (см. фиг.5) из материала с повышенной теплопроводностью, выполненный с возможностью герметичного контакта с крышкой после монтажа полупроводникового кристалла.The second variant of the housing also consists of an electrically
Выводная рамка 3 и ободок 11, как и в предыдущем варианте, выполнены, по крайней мере, биметаллическими, причем слой металла, соединяемый с керамическим кожухом 4, состоит из сплава ковар, а электропроводящая подложка 1 и выводная рамка 3 выполнены как единое целое 1а (см. фиг.7).The
Проанализируем признаки, представляющие предмет изобретений.Let us analyze the features representing the subject of inventions.
Основные функции заявляемого корпуса полупроводникового прибора обеспечивает герметичное соединение электропроводящей подложки 1, выводной рамки 3, керамического кожуха 4, имеющего несколько сквозных отверстий 5 и 6, ободка 11 и крышки, в основном, пайкой твердым припоем, образующее замкнутое пространство вокруг полупроводникового кристалла. При этом электропроводящая подложка 1, обладающая повышенной теплопроводностью, служит основанием для прохождения через полупроводниковый кристалл тока. Для лучшего теплоотвода противоположная основанию полупроводникового кристалла поверхность 7 подложки 1 выполнена открытой.The main functions of the inventive case of a semiconductor device provides a sealed connection of an electrically
Одновременно электропроводящая подложка 1, соединенная с одним из выводной рамки 3, может выполнить функцию электропроводящей клеммы, что позволяет конструктивно объединить электропроводящую подложку 1 и выводную рамку 3 в единое целое 1а (см. фиг.4 или фиг.7), применив специальный профиль. Такое объединение экономически целесообразно при массовом производстве предлагаемых конструкций корпусов, когда затраты на внедрение технологии изготовления специального профиля станут меньше затрат раздельного изготовления электропроводящей подложки 1 и выводной рамки 3.At the same time, the electrically
Керамический кожух 4, герметично смонтированный на подложке 1 с помощью выводной рамки 3 или непосредственно на подложке 1а при использовании специального профиля, защищает полупроводниковый кристалл от механических повреждений и служит основанием для размещения изолированных выводов выводной рамки 3, обеспечивая возможность соединения этих выводов посредством проволочных перемычек и столбиковых выводов 9 с соответствующими областями полупроводникового кристалла. Поэтому в керамическом кожухе 4 предусмотрены отверстия 5 и 6, расположенные перпендикулярно к поверхности 2 размещения основания полу полупроводникового кристалла. При этом, по крайней мере, одно из сквозных отверстий 5 керамического кожуха 4, называемое основным, ограждает полупроводниковый кристалл и имеет размеры, превышающие габаритные размеры полупроводникового кристалла. Количество таких отверстий в керамическом кожухе 4 соответствует количеству полупроводниковых кристаллов, смонтированных на электропроводящей подложке 1. Остальные сквозные отверстия 6 керамического кожуха 4 имеют выход на поверхность соединения керамического кожуха 4 с выводной рамкой 3, на соответствующие выводы которой установлены столбиковые выводы 9, размещенные в сквозных отверстиях 6.The
Все выводы выводной рамки 3 герметично соединены с керамическим кожухом 4 пайкой твердым припоем и изолированы друг от друга рисунком металлизации на поверхности керамического кожуха 4. При малых размерах керамического кожуха 4 технологически затруднительно обеспечить заданную величину сопротивления изоляции между отдельными выводами выводной рамки 3 из-за отклонений при нанесении рисунка металлизации на керамическом корпусе 4 и растекания припоя при соединении деталей корпуса. Чтобы гарантировать величину сопротивления изоляции, сквозные отверстия 6 керамического кожуха 4 имеют по одному пазу 12 (см. фиг.6) каждое, расположенному на поверхности соединения керамического кожуха 4 с выводной рамкой 3 перпендикулярно сквозному отверстию 6 и направленному в сторону от основного отверстия 5 до торца керамического кожуха 4, с размерами, превышающими размеры сквозного отверстия 6, и глубиной, превышающей толщину выводной рамки 3. Поверхности пазов 12, параллельные основанию полупроводникового кристалла, герметично соединены с соответствующими выводами выводной рамки 3, на которые установлены столбиковые выводы 9, размещенные в сквозных отверстиях 6, имеющих пазы 12.All conclusions of the
Для размещения проволочных перемычек, электрически соединяющих области полупроводникового кристалла с соответствующими столбиковыми выводами 9, на поверхности керамического кожуха 4, противоположной расположению выводной рамки 3, выполнена выемка 10 с границами, проходящими по внешним границам сквозных отверстий 5 и 6 или далее их, и глубиной, превышающей толщину гибких выводов полупроводникового кристалла. На этой же поверхности керамического кожуха 4 установлен герметично с ним ободок 11 из материала с повышенной теплопроводностью, выполненный с возможностью герметичного контакта с крышкой после монтажа полупроводникового кристалла, позволяя тем самым получить замкнутое пространство вокруг полупроводникового кристалла. Материалы для изготовления ободка 11 и крышки должны обладать повышенной теплопроводностью и технологическими свойствами, позволяющими получить герметичное соединение между ними, не оказывая термического влияния на смонтированный полупроводниковый кристалл. Повышенная теплопроводность материалов ободка и крышки дает возможность дополнительно отводить тепло от полупроводникового кристалла за счет излучения и конвенции.To accommodate wire jumpers that electrically connect the semiconductor crystal region with the
При производстве и эксплуатации предлагаемых конструкций корпуса полупроводникового прибора с высокой нагрузкой по току в отдельных приборах происходит нарушение герметичности корпуса из-за появления трещин в керамическом кожухе 4, возникающих по причине существенного различия температурных коэффициентов линейного расширения материалов, из которых изготавливают корпусы. На стабильность появления трещин, прежде всего, влияют материалы, соединяемые с керамическим кожухом 4, то есть материалы выводной рамки 3 и ободка 11. Наиболее близким температурным коэффициентом линейного расширения к материалу керамического кожуха 4 обладает сплав ковар, к недостатку которого следует отнести достаточно высокое удельное электросопротивление. Поэтому в предлагаемом техническом решении выводную рамку 3 и ободок 11 выполняют, по крайней мере, биметаллическими, причем слой металла, соединяемый с керамическим кожухом 4, состоит из сплава ковар.During the manufacture and operation of the proposed designs of the case of a semiconductor device with a high current load in individual devices, a leak in the case occurs due to cracks in the
Таким образом, заложенные в конструкцию корпусов полупроводниковых приборов с высокой нагрузкой по току технические решения позволили получить технические эффекты, превосходящий технические эффекты от использования каждого решения в отдельности. Подтверждением этому служит отсутствие в опубликованных источниках информации аналогичных сведений.Thus, the technical solutions incorporated into the design of the semiconductor device housings with a high current load allowed us to obtain technical effects that exceed the technical effects of using each solution individually. This is confirmed by the lack of published information sources of similar information.
Сборку заявляемых корпусов полупроводниковых приборов с высокой нагрузкой по току осуществляют в технологических приспособлениях следующим образом:The assembly of the claimed cases of semiconductor devices with a high current load is carried out in technological devices as follows:
- поочередно устанавливают электропроводящую подложку 1, прокладку из материала твердого припоя, выводную рамку 3, по съемному шаблону прокладки из материала твердого припоя в количестве, равном количеству сквозных отверстий 5 и 6 в керамическом кожухе 4, керамический кожух 4 с нанесенным на нем рисунком металлизации, в сквозные отверстия 6 которого помещают столбиковые выводы 9, а сверху прокладку из материала твердого припоя и ободок 11;- alternately install the electrically
- технологическое приспособление закрывают крышкой с прижимами, обеспечивающими прижатие деталей собранного пакета с расчетным усилием;- the technological device is closed with a lid with clamps, ensuring the pressing of the details of the assembled package with the design force;
- технологическое приспособление с пакетом деталей помещают в печь с контролируемой атмосферой, где их нагревают до температуры выше точки плавления твердого припоя и охлаждают по заданному термическому циклу;- a technological device with a package of parts is placed in a furnace with a controlled atmosphere, where they are heated to a temperature above the melting point of the solder and cooled according to a given thermal cycle;
- изготовленный корпус извлекают из технологического приспособления и подвергают согласно регламенту испытаниям;- the manufactured case is removed from the technological device and subjected to tests in accordance with the regulations;
- на прошедшие испытания корпусы наносят полупроводниковый кристалл и производят распайку проволочных перемычек;- the semiconductor crystal is applied to the cases that have passed the tests and the wire jumpers are wired;
- на ободок 11 устанавливают крышку и обеспечивают герметичное соединение между ними, например роликовой сваркой;- on the
- формируют концы выводов выводной рамки 3;- form the ends of the conclusions of the
- изготовленный полупроводниковый прибор подвергают приемочным испытаниям согласно регламенту.- the manufactured semiconductor device is subjected to acceptance tests in accordance with the regulations.
Предложенные технические решения реализованы в конструкции двух корпусов полупроводниковых приборов, близких по присоединительно-габаритным размерам к корпусам в пластмассовом исполнении КТ-28А, КТ-43 отечественного производства и TO-220, TO-247 фирмы «International Rectifier» (США), рассчитанных на максимальный ток соответственно 30А и 50А и обеспечивающих, например, следующие технические характеристики:The proposed technical solutions are implemented in the design of two housings of semiconductor devices, close in connection and overall dimensions to the housings in plastic design KT-28A, KT-43 of domestic production and TO-220, TO-247 of the company "International Rectifier" (USA), designed for the maximum current, respectively, 30A and 50A and providing, for example, the following technical characteristics:
Полупроводниковые приборы, которые будут выпускаться в разработанных корпусах, являются мощными транзисторами, используемыми во вторичных источниках электропитания, а также в высокоэффективных преобразовательных устройствах (инверторах, быстродействующих переключателях электрических цепей, системах аккумуляторного питания и др.).The semiconductor devices that will be produced in the developed cases are powerful transistors used in secondary power supplies, as well as in high-efficiency converting devices (inverters, high-speed switches of electric circuits, battery power systems, etc.).
Предложенные конструкции корпусов позволят значительно расширить область применения полупроводниковых приборов, так как по своим техническим характеристикам они существенно превосходят, например, металлопластмассовые.The proposed housing designs will significantly expand the scope of semiconductor devices, since in their technical characteristics they are significantly superior, for example, metal-plastic.
Таким образом, в результате реализации изобретений могут быть созданы технологичные в изготовлении герметичные корпуса полупроводниковых приборов с высокой нагрузкой по току, которые обладают эффективной теплоотводящей способностью при высокой надежности работы.Thus, as a result of the implementation of the inventions, hermetically sealed cases of semiconductor devices with a high current load can be created that have effective heat dissipation with high reliability.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006121315/28A RU2322729C1 (en) | 2006-06-16 | 2006-06-16 | Heavy-load-current semiconductor device package |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006121315/28A RU2322729C1 (en) | 2006-06-16 | 2006-06-16 | Heavy-load-current semiconductor device package |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2006121315A RU2006121315A (en) | 2007-12-27 |
| RU2322729C1 true RU2322729C1 (en) | 2008-04-20 |
Family
ID=39018642
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006121315/28A RU2322729C1 (en) | 2006-06-16 | 2006-06-16 | Heavy-load-current semiconductor device package |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2322729C1 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA016718B1 (en) * | 2009-03-23 | 2012-07-30 | Оао "Интеграл" | Package of high-power semiconductor device |
| RU2478585C2 (en) * | 2006-12-14 | 2013-04-10 | Ппг Индастриз Огайо, Инк. | Glass composition for moulding glass fibre |
| RU2489769C1 (en) * | 2011-12-28 | 2013-08-10 | ООО "Научно-производственное предприятие "Томилинский электронный завод" | Hermetically sealed housing for semiconductor device or microwave integrated circuit |
| US9220172B2 (en) | 2012-04-27 | 2015-12-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Electronic component, electronic module, their manufacturing methods, mounting member, and electronic apparatus |
| RU2573252C2 (en) * | 2012-04-27 | 2016-01-20 | Кэнон Кабусики Кайся | Electronic component and electronic device |
| RU193449U1 (en) * | 2019-03-13 | 2019-10-29 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | RIM FOR SEALING POWER SEMICONDUCTOR CASES |
| RU2740028C1 (en) * | 2020-03-19 | 2020-12-30 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Potential-free power module housing |
| RU217893U1 (en) * | 2022-12-22 | 2023-04-24 | Акционерное общество "ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС" | POWER SEMICONDUCTOR MODULE |
-
2006
- 2006-06-16 RU RU2006121315/28A patent/RU2322729C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2478585C2 (en) * | 2006-12-14 | 2013-04-10 | Ппг Индастриз Огайо, Инк. | Glass composition for moulding glass fibre |
| EA016718B1 (en) * | 2009-03-23 | 2012-07-30 | Оао "Интеграл" | Package of high-power semiconductor device |
| RU2489769C1 (en) * | 2011-12-28 | 2013-08-10 | ООО "Научно-производственное предприятие "Томилинский электронный завод" | Hermetically sealed housing for semiconductor device or microwave integrated circuit |
| US9220172B2 (en) | 2012-04-27 | 2015-12-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Electronic component, electronic module, their manufacturing methods, mounting member, and electronic apparatus |
| RU2573252C2 (en) * | 2012-04-27 | 2016-01-20 | Кэнон Кабусики Кайся | Electronic component and electronic device |
| US9253922B2 (en) | 2012-04-27 | 2016-02-02 | Canon Kabushiki Kaisha | Electronic component and electronic apparatus |
| RU193449U1 (en) * | 2019-03-13 | 2019-10-29 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | RIM FOR SEALING POWER SEMICONDUCTOR CASES |
| RU2740028C1 (en) * | 2020-03-19 | 2020-12-30 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Potential-free power module housing |
| RU217893U1 (en) * | 2022-12-22 | 2023-04-24 | Акционерное общество "ПРОТОН-ЭЛЕКТРОТЕКС" | POWER SEMICONDUCTOR MODULE |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2006121315A (en) | 2007-12-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11139278B2 (en) | Low parasitic inductance power module and double-faced heat-dissipation low parasitic inductance power module | |
| RU2322729C1 (en) | Heavy-load-current semiconductor device package | |
| US6765285B2 (en) | Power semiconductor device with high radiating efficiency | |
| US7190581B1 (en) | Low thermal resistance power module assembly | |
| US9673129B2 (en) | Semiconductor device | |
| JP3540471B2 (en) | Semiconductor module | |
| IT1280673B1 (en) | MODULE OF HIGH POWER SEMICONDUCTOR DEVICES WITH LOW THERMAL RESISTANCE AND SIMPLIFIED MANUFACTURING METHOD | |
| US6841865B2 (en) | Semiconductor device having clips for connecting to external elements | |
| CN112018049B (en) | Chip packaging structure and electronic equipment | |
| JPH09283681A (en) | Semiconductor device | |
| JPH1174454A (en) | Power semiconductor module containing encapsulated submodules | |
| US7229855B2 (en) | Process for assembling a double-sided circuit component | |
| US20060220188A1 (en) | Package structure having mixed circuit and composite substrate | |
| CN111834307B (en) | Semiconductor module | |
| CN110676232B (en) | Semiconductor device packaging structure, manufacturing method thereof and electronic equipment | |
| US3476985A (en) | Semiconductor rectifier unit | |
| JP2001024125A (en) | Flat semiconductor device | |
| JP7528573B2 (en) | Circuit structure | |
| US9324627B2 (en) | Electronic assembly for mounting on electronic board | |
| JPH0514519Y2 (en) | ||
| CN215220705U (en) | Immersion liquid cooling type IGBT module | |
| CN110164826A (en) | Power module and electronic equipment | |
| CN210575896U (en) | High-voltage power module shell | |
| CN214672591U (en) | Power device packaging structure | |
| CN221508171U (en) | STOLL double-sided heat dissipation frame, copper sheet and packaging structure |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130617 |