DE3910707A1 - Spritzgegossenes pingitter-leistungsgehaeuse - Google Patents

Spritzgegossenes pingitter-leistungsgehaeuse

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DE3910707A1
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Description

Das spritzgegossene Pingitter-Leistungsgehäuse ist im US-Patent 46 88 152 offenbart und beansprucht, welches dem Anmelder am 18. August 1987 erteilt wurde. Dieses Patent hat den gleichen Anmelder wie die vorliegende Erfindung. Das Grundkonzept des Pingitters beinhaltet ein flaches Halbleitergehäuse mit einer großen Anzahl von sich von einer Seite erstreckenden Gehäusepins in einer Anordnung mit genormten Abständen. Typischerweise handelt es sich um mehrere konzentrische Ringe mit einer Gesamtzahl von Pins zwischen 28 und 172.
Das Patent 46 88 152 offenbart eine grundlegende Leiterplatte, die eine Vielzahl von durchkontaktierten Löchern enthält. Die Gehäusepins werden in die Löcher gelötet, um sich somit von einer ihrer Seite zu er­ strecken. Die Leiterplatte enthält eine zentral ange­ ordnete Wanne, in welcher ein IC-Chip angeordnet werden kann, und die IC-Bondpads sind mit Leiterbahnen verbun­ den, welche an die durchkontaktierten Löcher angebunden sind. Die Leiterplatte mit dem aufgebrachten und ange­ schlossenen IC-Chip wird dann in einem Spritzgußnest ge­ bracht, das eine Reihe von Rippen aufweist, die die Leiterplatte in der Form positionieren und die Pinseite der Leiterplatte gegen die Form drücken. Die Außen­ fläche der Leiterplatte wird dann mit gespritztem Kunststoff abgedeckt, der den IC-Chip und die Ober­ fläche der Leiterplatte vergießt. Da die Seite der Leiterplatte gegen die Form auf der Seite mit den Pins gedrückt wird, wird Kunststoff von dieser Seite fernge­ halten und auf die andere Seite der Leiterplatte be­ schränkt. Eine Plastikwulst existiert am Umfang in der Form eines Rands um die Kante der Leiterplatte.
Wo vom Chip Wärme erzeugt wird, leitet das oben be­ schriebene Gehäuse diese Wärme nicht wirksam ab, wo­ durch dieses im allgemeinen nur für den Kleinleistungs­ bereich verwendet wird. Das Kunstsoffvergußmittel ist kein guter Wärmeleiter, und auch die Leiterplatte leitet die Wärme nicht wirksam genug ab. In der Praxis wird die meiste Wärme über die Gehäusepins und somit über die Leiterbahnen auf der Leiterplatte abgeführt.
Aufgabe der Erfindung ist es, für eine wirksame Wärmeabfuhr in einem spritzgegossenen Pingitter-Leistungsgehäuse zu sorgen.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wärmesenke auf dem Leiterplattensubstrat zur Verwendung in einem spritzgegossenen Pingitter-Leistunggehäuse aufzubringen und den aktiven Halbleiter vor dem Vergie­ ßen auf der Wärmesenke zu montieren.
Diese und andere Aufgaben werden in der folgenden Weise gelöst. Eine Leiterplatte wird mit einer Vielzahl von Gehäusepins angefertigt, die sich von einer Seite in Form eines Pingitters erstrecken. Die Leiterplatte hat einen ausgeschnittenen Bereich in ihrem Zentrum, und eine Wärmesenke aus Kupfer wird so an der Leiterplatte befestigt, daß sie den ausgeschnittenen Bereich auf der entgegengesetzten Seite der Leiterplatte überspannt. Der Halbleiter wird dann an der Wärmesenke in der vom ausgeschnittenen Bereich gebildeten Wanne befestigt. Die Bondpads auf dem Halbleiter werden dann elektrisch mit den Bahnen auf der Leiterplatte verbunden, die an die Pins angebunden sind. Dies kann durch Draht- oder Bandbonden ausgeführt werden. Die Leiterplatte ist auch mit einer Vielzahl von Löchern versehen, die sich neben der Wärmesenke befinden. Die Anordnung wird dann in einer Spritzgußform mit einem Paar von entgegengesetz­ ten Formplatten eingebracht. Eine erste Formplatte hat ein erstes Nest, das die Gehäusepins aufnimmt, und dieses Nest weist Kanten auf, die neben den Pins gegen die Leiterplatte anliegen. Ein zweites Nest befindet sich in der ersten Formplatte und überspannt die Löcher in der Leiterplatte neben der Wärmesenke. Die zweite oder entgegengesetzte Formplatte hat einen Hohlraum, der die Leiterplatte überspannt und der tief genug ist, um die Wärmesenke aufzunehmen. Sie enthält auch eine Reihe von Rippen, die die Leiterplatte so fassen, daß sie genau in der Formplatte positioniert wird und gegen den Umfang der Leiterplatte gedrückt wird, wodurch sie gegen die erste Formplatte gedrückt wird. Sie enthält weiterhin Kanäle und Eingußstellen, durch die Kunst­ stoff in einem Spritzgußvorgang eingebracht werden kann. Das somit eingebrachte Material deckt die Leiter­ platte neben der Wärmesenke ab, wird aber vom Bedecken der Wärmesenke wegen des Kontakts mit der Fläche des Formplattennest abgehalten. Der flüssige Kunststoff füllt das Formplattennest um die Wärmesenke und fließt auch durch die Löcher in der Leiterplatte, wobei der Halbleiter innerhalb des zweiten Nests in der ersten Formplatte abgedeckt wird. Die Form hat auch Entlüftun­ gen am Umfang, die zum Abbau des internen Drucks die­ nen, die aber zu klein sind, um den Fluß des Kunst­ stoffmaterials aufzunehmen. Somit wird die Form mit Kunststoff gefüllt, der zum Vergießen der Leiterplatte und des Halbleiters führt. Nach Spritzvergießen und teilweisem Aushärten des Kunststoffs nach der Halb­ leiter aus der Form entfernt werden, und das Aushärten kann fortgesetzt werden. Nach Aushärten wird der Grat entfernt, und die Vorrichtung ist verwendungsfähig.
Beim fertigen Gehäuse ist die Wärmesenkenfläche bündig mit der Oberfläche des Kunststoffs und kann in üblicher Weise zur Wärmeabfuhr kontaktiert werden. Falls ge­ wünscht, kann eine Art von sekundärer Kühlung befestigt werden. Zum Beispiel können Kühlfahnen an einzelnen Gehäusen zur Luftkühlung angebracht werden. Wenn mehr als ein Gehäuse zu kühlen ist, kann eine Art von Kühldecke in thermischen Kontakt mit der Vorrichtung gebracht werden. In einer alternativen Ausführungsform befindet sich ein Montagebolzen in der Wärmesenke. Dieser Bolzen erleichtert die Befestigung einer sekundären Kühlung.
Fig. 1 ist eine Vorderansicht einer Leiterplatte, die für die Ausführung der Erfindung genutzt werden kann und die eine hiermit verbundene Wärmesenke aufweist.
Fig. 2 ist ein Querschnitt eines Teils der Spritzguß­ form, welche zum Vergießen eines Pingitters mit einer daran befestigten Wärmesenke und einem IC-Chip benutzt wird.
Fig. 3 ist eine Vorderansicht eines vergossenen Leistungsgehäuses.
Fig. 4 ist eine Teilansicht einer alternativen Form einer Wärmesenke mit einem Befestigungsbolzen und einer Vertiefung in der oberen Formplatte.
Fig. 5 ist ein Querschnitt des Aufbaus von Fig. 3 entlang der Linie 5.
Unter Bezug auf Fig. 1 wird auf einem Pingittergehäuse 10 ausgegangen. Das Substrat 11 ist eine übliche Leiterplatte, typischerweise als Multilayeraufbau. Sie enthält eine Reihe von durchkontaktierten Löchern, in denen die Gehäusepins befestigt sind, normalerweise durch Löten. Während Fig. 1 ein Gehäuse mit 56 Pins in zwei konzentrischen Ringen zeigt, können wie gewünscht auch mehr oder weniger Pins in anderer Konfigurationen eingesetzt werden. Ein Loch 13 ist durch das Zentrum der Leiterplatte geschnitten und mit einer Metalli­ sierung 14 umgeben. Die Löcher 15, 16, 17 und 18 er­ strecken sich ebenfdalls durch die Leiterplatte und sind gerade außerhalb der Metallisierung angeordnet. Während hier vier derartige Löcher dargestellt sind, ist es natürlich klar, daß auch mehr oder weniger davon ver­ wendet werden können. In der Praxis ist nur ein derartiges Loch notwendig. Die Lochform kann beliebig sein. Eine Wärmesenke 19 ist an der Metallisierung 14 befestigt, wie durch die Pfeile gezeigt. Die Wärmesenke 19 ist typischerweise eine Kupferplatte, bedeckt mit einer dünnen, korrosionsfesten Goldplatte und durch Löten mit der Metallisierung 14 verbunden. Alternativ kann die Wärmesenke 19 auch durch Kleben befestigt werden. Nicht gezeigt sind die Leiterbahnen auf der Leiterplatte 11, die die Pins 12 mit einer Anordnung von Leiterbahnen auf der Pinseite der Leiterplatte um den Umfang des Lochs 13 umgeben. Ebenso ist, wenn auch nicht dargestellt, die Metallisierung 14 und damit die Wärmesenke 19 über eine Leiterbahn mit einem oder mehreren der Pins 12 verbunden.
Nachdem die Wärmesenke 19 an der Leiterplatte 11 angebracht ist, bildet das Gehäuse einen von der Pin­ seite zugänglichen Hohlraum zum Aufbringen eines IC-Chips. Fig. 2, die einen Schnitt durch das Gehäuse 10 enthält, zeigt das zwischen den Formplatten 22 und 23 angebrachte Gehäuse, wobei die Formplatten für den Spritzgußvorgang eingesetzt werden. Fig. 2 zeigt nur eine einzige Position in der Spritzgußform, die norma­ lerweise eine Vielzahl derartiger Positionen enthält. Eine relativ große Anzahl von Geräten kann gleichzeitig eingegossen werden. Die Form selbst ist üblich und wird bei einer Spritzgußmaschine (nicht gezeigt) eingesetzt.
Vor dem Vergießen wird das IC-Chip 20 an der Wärmesenke 19 befestigt. Dies kann durch Löten oder durch die Ver­ wendung eines Klebers erfolgen. Dann werden die Drähte 21 in üblicher Weise dazu benutzt, um die Bondpads mit den Leiterbahnen auf der Leiterplatte 11 zu verbinden. Dieser Vorgang verbindet die Gehäusepins 12 mit den IC-Elementen. Alternativ zur Verwendung der Drähte 19, die in üblicher Weise stitchgebondet werden, kann auch ein Bandbondverfahren eingesetzt werden.
Beim Vergießvorgang wird eine flüssige (erwärmte) Kunststoffmischung dem Loch 24 zugeführt. Dieses Mate­ rial kann in der Form vorliegen, wie es im Patent 38 38 094 von Sporck offenbart ist, welches auch dem Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen wurde. Die Pfeile zeigen den sich ergebenden Fluß des Kunst­ stoffs. Die Form enthält einen Kanal 25, der das Loch 24 mit einer Vielzahl gleicher Formpositionen ver­ bindet. Jede Position ist mit dem Kanal 25 über eine Vergießöffnung 26 verbunden. Hier fließt der Kunststoff um die Wärmesenke 19 und über die obere Fläche der Leiterplatte 11. Die Löcher 15-18 erlauben das Fließen des Kunststoffs auf beiden Seiten der Leiterplatte, so daß der Hohlraum in der unteren Formplatte 23 Verguß­ mittel aufnehmen kann.
Rippen 27 halten die Leiterplatte 11 zentriert in der Form und weisen Flächen auf, die die Leiterplatte 11 gegen die untere Formplatte 23 drücken. Dieses Merkmal wird eindeutig im Patent 46 88 152 des Anmelders offen­ bart. Die obere Formplatte 22 weist eine Hohlraumfläche auf, die gegen die Wärmesenke 19 drückt, um somit den Zutritt von Kunststoff über den oberen Teil der Wärme­ senke auszuschließen. Beim Spritzgießen ist es eine gute Daumenregel, daß der flüssige Kunststoff nicht in Vertiefungen kleiner als etwa 0,025 mm fließt. Somit reduziert eine bei 28 gezeigte Entlüftung mit einer Dicke von etwa 0,01 mm den Luftdruck in der Form, wäh­ rend kein Kunststoff in sie hineinfließen kann.
Die untere Formplatte 23 enthält ebenfalls Vertiefungen (in Fig. 2 nicht gezeigt), die an den vier Ecken der Leiterplatte 11 angeordnet sind. Somit kann der Kunst­ stoff vorstehende Lippen an den vier Ecken des Gehäuse­ umfangs bilden. Die Pingitteranordnung ist in Fig. 3 gezeigt. Fig. 5 ist ein Querschnitt des fertigen Pro­ dukts. Der vergossene Kunststoff ist in Fig. 5 im Querschnitt gepunktet dargestellt. Man sieht, daß die Lippen 32 sich nach unten erstrecken, so daß nach Mon­ tage des Gehäuses auf einer üblichen Leiterplatte dieses in Kontakt mit der Lippe sitzen wird, während der zentrale Teil des Aufbaus nicht auf der Oberfläche der Leiterplatte aufsitzt. Da die Lippen 32 an den vier Ecken des Gehäuses angebracht sind, ist der zentrale Bereich für Reinigungsflüssigkeit zugänglich, nachdem die Pingitteranordnung bei der Endmontage aufgelötet worden ist.
Unter nochmaligem Bezug auf Fig. 2 ist es offensicht­ lich, daß, während die Wärmesenke 19 als flache Platte dargestellt ist, sie auch andere Formen annehmen kann. Beispielsweise kann auch ein Gewindevorsprung 29 wie in Fig. 4 gezeigt vorgesehen sein. Solch ein Vorsprung kann die Anbringung von Kühlfahnen oder anderen Kühl­ mitteln erleichtern. Wenn solch ein Vorsprung auf der Wärmesenke 19 vorhanden ist, enthält die obere Form­ platte 22 eine bei 30 gezeigte Aufnahmevertiefung. Ob nun solch ein Vorsprung und solch eine Vertiefung vor­ handen sind oder nicht, der kleine Abstand zwischen Wärmesenke 19 und Formplatte 22 um den Umfang der Wärmesenke wird Kunststoff beim Vergießen von der Ober­ fläche der Wärmesenke fernhalten.
Den Zusatz der Leistungseigenschaften zu dem Pingitter­ aufbau hat die IC-Leistungseigenschaften um etwa den Faktor 10 erhöht. Bei der vergleichenden Auswertung wurde ein Mikroprozessor-Chip in dem einzigen anderen verfügbaren Leistungsgehäuse untergebracht, welches aus Keramik besteht. Solch ein Keramikgehäuse kostet etwa zweimal soviel in der Herstellung, und der Mikroprozes­ sor ist wegen der hohen Dielektrizitätskonstanten von Keramik etwa 30% langsamer als bei dem spritzgegosse­ nen Pingittergehäuse.

Claims (9)

1. Spritzgegossenes Pingitter-Leistungsgehäuse, gekennzeichnet durch eine Leiterplatte mit durchkontak­ tierten Löchern und einer Vielzahl von darin befe­ stigten und von einer ersten Seite ausgehenden und somit eine Pingitteranordnung bildenden Gehäusepins,
wobei die Leiterplatte eine zentrale Öffnung und eine an einer zweiten Seite am Umfang der Öffnung ange­ ordnete Wärmesenke aufweist und
wobei die Leiterplatte ein Leiterbild aufweist, wodurch die Pins der Anordnung mit elektrischen Ansätzen ver­ sehen sind, die eine Anordnung von Leiterbahnen um die Öffnung bilden,
ein an der Wärmesenke innerhalb der Öffnung ange­ brachtes Halbleiterplättchen, wobei dieses Halbleiter­ plättchen eine Anordnung von Bondpads aufweist, Mittel zum elektrischen Verbinden dieser Bondpads auf dem Halbleiterplättchen mit der Anordnung der Leiter­ bahnen, wodurch die Pins elektrisch mit dem Halbleiter­ plättchen verbunden werden,
ein die zweite Seite der Leiterplatte abdeckendes und sich bündig mit der Oberfläche der Wärmesenke sich er­ streckendes und somit die Kanten der Leiterplatte abdeckendes Kunststoffvergußmittel, und
eine auf der ersten Seite der Leiterplatte befindliche und sich über die erste Seite erstreckende, die Öffnung überdeckende und somit das Halbleiterplättchen und die Anschlüsse hieran vergießende Verlängerung des Kunst­ stoffvergußmittels.
2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunstoffvergußmittel auf der ersten Seite mit dem Kunststoffvergußmittel auf der zweiten Seite über ein in der Leiterplatte ausge­ bildetes Zugangsmittel verbunden ist.
3. Gehäuse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zugangsmittel als wenigstens ein Loch in der Leiterplatte außerhalb der Wärmesenke ausgebildet ist.
4. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke an die Metallisierung der Leiterplatte gelötet und somit mit wenigstens einem der Gehäusepins verbunden wird.
5. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenkeplatte Mittel zum Befestigen von Kühlmitteln aufweist.
6. Verfahren zum Herstellen eines spritzgegossenen Pin­ gitter-Leistungsgehäuses, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
Ausbilden einer Leiterplatte mit durchkontaktierten Lö­ chern und einer sich durch die Leiterplatte erstrecken­ den zentralen Öffnung;
Befestigen von Gehäusepins in den durchkontaktierten Löchern zur Bildung eines sich von einer Seite der Leiterplatte sich erstreckenden Pingitters;
Ausbilden einer Wärmesenkeplatte aus wärmeleitendem Material und mit einer etwas die Größe der Öffnung überschreitenden Abmessung;
Befestigen der Wärmesenkeplatte an der Leiterplatte zum Abdecken der Öffnung an der anderen Seite der Leiter­ platte;
Befestigen eines Halbleiterplättchens an der Wärme­ senkeplatte im von der Öffnung und der Wärmesenkeplatte gebildeten Hohlraum;
Verbinden der Bondpads auf dem Halbleiterplättchen mit Leiterbahnen auf der Leiterplatte; und
Gießen eines Kunststoffvergußmittels auf die Leiter­ platte zum Vergießen des Halbleiterplättchens bündig mit der Wärmesenkeplatte und zur Bildung einer Lippe am Umfang der Leiterplatte.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verfahrensschritt zum Ausbilden einer Öffnung in der Leiterplatte vorgesehen ist, wodurch der Verfahrensschritt des Vergießens Kunststoffvergußmittel gleichzeitig auf beiden Seiten der Leiterplatte liefert.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung von einer Metallisierung umgeben ist, die mit wenigstens einem Gehäusepin verbunden ist, und daß die Wärmesenke lei­ tend an der Metallisierung befestigt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenkeplatte so ausgebildet ist, daß sie Mittel zum Befestigen von Kühlelementen aufweist.
DE3910707A 1988-05-09 1989-04-03 Spritzgegossenes pingitter-leistungsgehaeuse Withdrawn DE3910707A1 (de)

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