DE3836002A1 - Unterlagschicht mit weicher oberflaeche fuer halbleiterbauteile - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine ver­ besserte, wärmeleitfähige und vorzugsweise elektrisch isolierende Ausgleichseinrichtung für die Montage eines vollständig gekapselten Halbleitergerätes oder einer derartigen Vorrichtung auf eine Montageoberfläche, ins­ besondere eine derartige Ausgleichseinrichtung zur Bereit­ stellung eines wärmeleitfähigen Montagemediums zwischen dem Hüllenabschnitt einer gekapselten Halbleitervorrich­ tung und einer Chassis-Montageoberfläche. Gemäß der vor­ liegenden Erfindung wird eine verbesserte Wärmeleitfähig­ keit zwischen dem gekapselten Gerät und der Montageober­ fläche bereitgestellt, insbesondere durch das Ausschalten und/oder Verringern von nichtvertriebener, zurückgehal­ tener oder eingefangener Luft zwischen den einzelnen Oberflächen, welche die Außenoberfläche des vollständig gekapselten Geräts und dessen zugehörige Montageoberfläche auf einem Chassis oder dergleichen ausmachen.

Es ist seit langem bekannt, daß eine wärmeleitfähige Zwischenschicht zwischen einem Halbleitergerät und einer Montageplattform, etwa einem elektrischen Chassis oder dergleichen, wünschenswert ist. In diesem Zusammenhang wird eine elektrisch isolierende, wärmeleitfähige Schicht als Montagepuffer zwischen dem Chassisteil und der Ober­ fläche des Hüllenabschnitts des gekapselten Halbleiter­ geräts verwendet. Es hat sich bei derartigen Anordnungen herausgestellt, wenn sie im Zusammenhang mit der vor­ liegenden Erfindung richtig ausgelegt sind, daß sie die elektrischen Eigenschaften und die Lebensdauer des Halb­ leitergerätes verbessern, ohne nennenswert die Abmessungen und die Größe des Halbleitergeräts zu vergrößern und ohne sich störend auf andere normale Montagevorgänge auszuwirken. Die Zwischen- oder Ausgleichseinrichtung selbst kann direkt auf eine Oberfläche des vollständig gekapselten Halbleitergeräts aufgebracht werden oder alternativ auf die Chassisoberfläche oder eine andere Oberfläche, auf die das Halbleitergerät montiert wird.

Seit kurzem werden vollständig gekapselte Halbleitergeräte in weitem Maße kommerziell genutzt. Um eine geeignete Ausgleichseinrichtung zwischen dem Hüllenabschnitt des gekapselten Halbleitergeräts und der Chassisoberfläche bereitzustellen, wurde typischerweise ein Silikonfett oder eine andere Einrichtung vorgeschlagen, um das Auf­ treten und Vorhandensein von Luft zu verringern, die nicht vertrieben wird, zurückgehalten oder auf andere Weise zwischen den zusammengehörigen Montageoberflächen eingefangen wird. Derartige zurückgehaltene oder einge­ schlossene Luft führt zu einem erhöhten Wärmewiderstand zwischen dem gekapselten Halbleitergerät oder der gekap­ selten Halbleiteranordnung und der Montageoberfläche, und es können heiße Punkte entstehen, während das Halb­ leitergerät bestimmten normalen erwarteten und tatsäch­ lich auftretenden elektrischen Betriebsbedingungen ausge­ setzt wird. Es hat sich herausgestellt, daß die vorlie­ gende Erfindung das Auftreten und Vorhandensein zurück­ gehaltener oder eingeschlossener Luft zwischen den zuge­ hörigen Oberflächen des gekapselten Halbleitergeräts und des Chassis verringert. Um diese Verringerung zurück­ gehaltener oder eingeschlossener Luft zu erreichen, wird eine verhältnismäßig dünne Schicht eines mäßig weichen und formbaren Materials bereitgestellt, wobei diese Schicht wärmeleitfähig und vorzugsweise elektrisch isolierend ist. Es hat sich herausgestellt, daß die Kombination von Eigenschaften einschließlich der Auswahl der Quer­ schnittsdicke zusammen mit der Weichheit und der Formbar­ keit die Menge zurückgehaltener oder eingeschlossener Luft wirksam verringert oder eliminiert, wodurch die thermischen Eigenschaften der Anordnung verbessert werden. Selbstverständlich führt die Verbesserung der thermischen Eigenschaften zu einer Verbesserung der Fähigkeiten und der Lebensdauer des Halbleitergeräts, welches kombiniert mit der Gesamtanordnung der Zwischenschicht verwendet wird.

Es hat sich herausgestellt, daß die Kombination physi­ kalischer Eigenschaften und der Dicke der Zwischenschicht keine Behinderung für normale Montagevorgänge oder die Bearbeitung darstellt. Mit anderen Worten führt das Vor­ handensein der Zwischenschicht nicht zu einer Beeinträch­ tigung des Wirkungsgrads normaler Montagevorgänge, noch führt es dazu, daß die normalen Montagevorgänge signifikant länger dauern. Daher ist die erfindungsgemäße Zwischen­ schicht mit den Betriebsabläufen verträglich, die üb­ licherweise bei typischen Montage- und Bearbeitungsvor­ gängen auftreten. Um die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem gekapselten Halbleitergerät und der Montageoberfläche zu vergrößern wird eine Zwischeneinrichtung bereitgestellt, die sowohl weich und formbar ist, und die widerstandsfähig und dauerhaft ist und den bestimmten Montagevorgängen und -abläufen ausgesetzt werden kann, die üblicherweise bei derartigen Geräten auftreten.

Um diese verbesserten Ergebnisse zu erhalten, sind be­ stimmte Eigenschaften und/oder Eigenarten für die Zwischen­ schicht erforderlich. Im einzelnen ist die Schicht so ausgelegt, daß sie weich und formbar ist, mit einer Stärke von weniger als etwa 0,254 mm (10 mils). Die Härte der Schicht sollte vorzugsweise zwischen 10 und 30 Durometer auf der A-Shore-Skala liegen. Die Formbarkeitseigenschaft gestattet die Verringerung und/oder Ausschaltung zurück­ gehaltener oder eingeschlossener Luft, wobei die Dicke so gewählt ist, daß eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Hüllenabschnitt des gekapselten Halbleitergeräts und der Montageoberfläche erreicht wird.

Die wünschenswerten Eigenschaften und/oder Eigenheiten, die für die Zwischenschicht erforderlich sind, werden in natürlich auftretenden Substanzen nicht einfach auf­ gefunden. Daher ist es eine Zielrichtung der vorliegenden Erfindung, diese ungewöhnliche Kombination von Eigenschaf­ ten bereitzustellen, einschließlich der physikalischen Eigenschaften, weich und formbar zu sein, zusammen mit der Eigenschaft der Wärmeleitfähigkeit.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine thermisch leitfähige Zwischeneinrichtung bereitgestellt zur Anord­ nung zwischen dem Hüllenabschnitt eines gekapselten Halb­ leitergeräts und einer Montageoberfläche, um die Wärme­ leitung zwischen dem gekapselten Halbleitergerät und der Montageoberfläche zu vergrößern, wobei die Zwischen­ einrichtung eine allgemein weiche, formbare plastische Schicht aus einem Kunstharz umfaßt, die dennoch fest und widerstandsfähig ist und eine geringe Wärmeimpedanz oder einen geringen Wärmewiderstand aufweist.

In diesem Zusammenhang ist die Plastikschicht ein Kunst­ harz, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silikongummi, Epoxyharz, Polyester und Polyurethan besteht. Die weiche formbare Schicht weist vorzugsweise eine Härte von etwa 10 Durometer auf der A-Shore-Skala auf, wobei sich herausgestellt hat, daß ein Härtebereich zwischen 10 und 60 annehmbar ist.

Um die Wärmeleitfähigkeit des Materials zu vergrößern wird das Harz vorzugsweise mit einer Substanz gemischt, um diese Leitfähigkeit zu erhöhen. Insbesondere umfassen die zur Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit verwendeten Materialien solche elektrischen Isolatoren wie Aluminium­ oxid, Bornitrid, Aluminiumnitrid und deren Mischungen, Mischungen aus Aluminiumoxid und Bornitrid, feinverteilte metallische Teilchen wie etwa fein verteiltes Kupfer, Aluminium, Stahl, oder dergleichen. Solche Materialien können dem Silikongummi in einer Menge zwischen etwa 20% bis 50% (Volumenprozent) verbundener Feststoffe zugefügt werden, wobei der Rest der Feststoffanteil des Kunstharzes ist. Eine Liste derartiger Materialien findet sich in der Anmeldung Nr. 07/1 14 855, eingereicht am 30. Oktober 1987, die an den Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen wurde.

Ein Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer verbesserten Zwischenschicht­ anordnung, die zwischen dem Hüllenabschnitt eines gekap­ selten Halbleitergeräts und der hierfür vorgesehenen Montageoberfläche montiert und eingefügt wird, wobei die Zwischeneinrichtung eine allgemein weiche formbare plastische Schicht aus einem Kunstharz aufweist, mit einer Härte zwischen etwa 10 bis 60 Durometer auf der A-Shore-Skala.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Zwischeneinrichtung zur Mon­ tage zwischen dem Hüllenabschnitt eines gekapselten Halb­ leitergeräts und einer hierfür vorgesehenen Montageober­ fläche, bei welcher eine weiche formbare plastische Schicht aus Kunstharz bereitgestellt ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die Silikongummi, Epoxyharz, Polyester und Polyurethan umfaßt, und wobei das Plastikmaterial mit fein verteilten Feststoffen aufgefüllt ist, um die Wärmeleitfähigkeit zu vergrößern.

Die Erfindung wird nachstehend nachstehend anhand zeichne­ risch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus denen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer üblichen Art eines in der Vergangenheit verwendeten gekapselten Halb­ leitergeräts und eine Darstellung einer metallischen Zwischeneinrichtung in Form einer Bodenebene die an einer ebenen Oberfläche des Hüllenabschnitts befestigt ist;

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines vollständig gekapselten Halbleitergeräts, wobei die erfindungsgemäße Zwi­ scheneinrichtung zwischem dem Hüllenabschnitt des Halbleitergeräts und der hierfür vorgesehenen Montageoberfläche angeordnet ist; und

Fig. 3 eine Seitenansicht des in Fig. 2 dargestellten vollständig gekapselten Halbleitergeräts mit einer Erläuterung des auf die Oberfläche eines typischen Chassis montierten Geräts und mit einer Montage­ schraube, die zum Festhalten des Geräts auf der Chassisoberfläche verwendet wird.

In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere in bezug auf die Fig. 2 und 3 der Zeichnungen, ist ein vollständig gekapseltes Halbleitergerät 10 gezeigt, wobei der Hüllen­ abschnitt dazu verwendet wird, hierin ein Halbleiter­ gerät völlig einzuschließen oder "vollständig zu kapseln". Im einzelnen umfaßt das vollständig gekapselte Halbleiter­ gerät 10 einen Hüllenabschnitt 11, von dem aus sich leit­ fähige Steckerteile 12 erstrecken. Eine Muttern-Bolzenkom­ bination 14 verbindet das Halbleitergerät 10 mit einer Montagegrundplatte oder einem Chassis 15. Als weitere Montagevorrichtung kann ein Montageclip verwendet werden, um das Halbleitergerät mechanisch gegen die Oberfläche des Chassis vorzuspannen. Gekapselte Halbleitergeräte oder -anordnungen der in Fig. 2 und 3 dargestellten Art sind selbstverständlich kommerziell erhältlich.

Wie weiterhin aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist eine Interfaceeinrichtung 16 vorgesehen, die sich entlang des Basisabschnitts des vollständig gekapselten Halbleiter­ gerätes 10 erstreckt. Das Interface oder die Zwischenein­ richtung 16 weist die Form einer im allgemeinen weichen formbaren Plastikschicht oder eines entsprechenden Kissens aus einem Kunstharzmaterial auf, das aus der Gruppe ausge­ wählt ist, die aus Silikongummi, Epoxyharz, Polyester und Polyurethan besteht, vorzugsweise gefüllt oder gemischt mit einem wärmeleitfähigen teilchenförmigen Feststoff wie beispielsweise Aluminiumoxid, Bornitrid, einer Mischung aus Aluminiumoxid und Bornitrid, Aluminiumnitrid oder fein verteilten Metallteilchen. Die Schicht 16 wiederum ist gleichförmig mit einer ebenen Oberfläche des Hüllenab­ schnitts 11 des gekapselten Halbleitergerätes 10 verbunden. Für nachfolgende Montagevorgänge und um diese zu erleichtern kann eine Klebeschicht 17 über der gesamten Oberfläche der Interfaceschicht 16 verwendet werden. Die andere Oberfläche der Interfaceschicht 16 kann mit einem Klebefilm beschichtet sein, um die Verbindung mit der Oberfläche eines Chassis oder eines anderen Montageteils anstelle der Kombination 14 aus Mutter und Bolzen gemäß Fig. 3 zu erleichtern. Es können geeignete Klebemittel verwendet werden, beispielsweise druckempfindliche Klebemittel, thermisch beeinflußte Klebemittel oder Klebemittel auf Lösungsmittelbasis. Ein Lösefilm zur Abdeckung des druckem­ pfindlichen Klebefilms bei dessen Einsatz kann verwendet werden. Derartige Klebemittel, wie beispielsweise die druckempfindlichen Klebemittel, sind selbstverständlich kommerziell erhältlich.

In Fig. 3 der Zeichnung ist das Halbleitergerät 10 auf der Oberfläche eines Chassis 15 dargestellt, wobei die Schicht 16 die Zwischenschicht zwischen dem gekapselten Halbleitergerät 10 und dem Chassis 15 bildet und in der richtigen Lage gezeigt ist. Wie aus der Figur hervorgeht, wird die Schicht 16 an dem Ort auf der Oberfläche der Kapselhülle 11 hergestellt, und daher erfolgt weder eine Behinderung noch eine sonstige Beeinträchtigung oder Verzögerung der Vorgänge beim Zusammenbau und/oder von normalerweise bei derartigen Geräten auftretenden Betriebs­ abläufen.

Im Gebrauch sorgt die Klebeschicht 17 für ein genügendes Anhaften und Festhalten, um so ein System geeigneter Festigkeit und Dauerhaftigkeit zur Verfügung zu stellen. Die Dicke ist, wie dargestellt, so gering wie möglich, vorzugsweise weniger als etwa 0,0178 mm (0,7 mil) um, falls überhaupt, nur eine geringe Impedanz oder einen geringen Widerstand bezüglich der Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen. Die Eigenschaften der Schicht in bezug auf Weichheit, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 10 und 30 Durometer auf der A-Shore-Skala, sind ausrei­ chend, um das Vorliegen und/oder Auftreten eingeschlos­ sener, zurückgehaltener oder nicht verdrängter Luft zu verringern, und dieses Merkmal sorgt für die vorteilhaften Eigenschaften des Systems. Eine Durometerhärte auf dieser Skala im Bereich von etwa 10 bis 60 hat sich als geeignet herausgestellt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht die Schicht 16 aus Silikongummi und weist eine Dicke zwischen etwa 0,127 mm bis 0,254 mm (5 bis 10 mils) auf. Es hat sich herausgestellt, daß eine derartige Dicke eine genügende Formbarkeit bereitstellt, um das Vorliegen zurückgehal­ tener oder eingeschlossener Luft zu verringern, wobei gleichzeitig eine genügende mechanische Festigkeit bereit­ gestellt wird, ohne die elektrischen Eigenschaften des gesamten Gerätes zu beeinträchtigen.

Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform wird die Schicht 16 an der Stelle auf der Oberfläche der Mon­ tageoberfläche oder des Chassis 15 hergestellt, und ist so ausgelegt, daß sie auf sich das gekapselte Halbleiter­ gerät 10 aufnimmt. Daher wird bei einer derartigen An­ ordnung der Zwischenschichtfilm direkt auf die Außen­ oberfläche des Chassis 15 aufgebracht. Bei einem nach­ folgenden Montageschritt werden daher eingehüllte Halb­ leitergeräte an dieser Stelle montiert in einer Anordnung, die den Erfordernissen der Einrichtung entspricht. Andere Merkmale, etwa die Dicke der Interfaceschicht und deren Eigenschaften, bleiben so wie voranstehend beschrieben.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, verwendet der konventionelle Transistor und/oder ein anderer in der Vergangenheit verwendeter Halbleiter eine metallische Grundplatte zur direkten Berührung mit dem Chassis. In gewissen Anwendungs­ fällen macht es jedoch die Verwendung eines derartigen Metallteils schwierig, ein völlig gleichförmiges und vollständig kontaktierendes Paar zusammengehöriger Ober­ flächen zu erzielen. In solchen Fällen führen die ungleich­ förmigen Eigenschaften oder unebenen Eigenschaften des Metallteils des Halbleitergeräts und/oder des Chassisteils zu einer Verringerung der Berührungsfläche zwischen dem Metallplattformteil des Halbleitergeräts und der Ober­ fläche des Montagechassis.

Fachleuten auf diesem Gebiet wird deutlich, daß von dem voranstehenden Beispiel abgewichen werden kann, ohne das Prinzip und den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims (7)

1. Interfaceeinrichtung, die positionierbar zwischen dem Hüllenabschnitt eines gekapselten Halbleitergeräts und einer hierfür vorgesehenen Montageoberfläche ange­ bracht werden kann, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem gekapselten Halbleitergerät und der Montageoberfläche zu erhöhen, gekennzeichnet durch

• a) eine im allgemeinen weiche formbare plastische Schicht aus einem Kunstharz, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silikongummi, Epoxyharz, Polyester und Poly­ urethan besteht, wobei die Schicht mit einer ebenen Ober­ fläche des Hüllenabschnitts des gekapselten Halbleiter­ geräts verbunden ist, und wobei
• b) die weiche formbare Schicht eine Dicke von weniger als etwa 0,254 mm (10 mils) aufweist sowie eine Härte von zwischen etwa 10 und 60 Durometer auf der A-Shore- Skala.

2. Interfaceeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die weiche formbare plastische Schicht Silikongummi ist.

3. Interfaceeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die weiche formbare Schicht mit wärmeleit­ fähigen Feststoffen in Teilchenform gemischt ist.

4. Interfaceeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die wärmeleitfähigen teilchenförmigen Fest­ stoffe aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Aluminium­ oxid, Bornitrid, Aluminiumnitrid, Mischungen aus Alu­ miniumoxid und Bornitrid, und metallischen Teilchen be­ steht.

5. Interfaceeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die weiche formbare plastische Schicht eine Härte von etwa 20 Durometer auf der A-Shore-Skala aufweist.

6. Interfaceeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die weiche formbare plastische Schicht aus Silikongummi besteht.

7. Interfaceeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die äußere Oberfläche der weichen formbaren plastischen Schicht mit einem Film aus einem druckempfind­ lichen Klebemittel beschichtet ist.