DE3910707A1 - Spritzgegossenes pingitter-leistungsgehaeuse - Google Patents
Spritzgegossenes pingitter-leistungsgehaeuseInfo
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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.
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.
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.
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