DE69330249T2 - Leistungsverpackung mit hoher Zuverlässigkeit für eine elektronische Halbleiterschaltung - Google Patents

Leistungsverpackung mit hoher Zuverlässigkeit für eine elektronische Halbleiterschaltung

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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Chip-Baustein, der eine integrierte Halbleiterschaltung enthält.
  • Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Chip-Baustein, der in einer Körperhülle aus Kunststoffmaterial folgendes aufweist:
  • - eine integrierte elektronische Schaltung in einem Halbleiterchip, der auf einem Chipträgerrahmen angebracht ist, und
  • - ein Wärmeabführelement in Berührung mit dem Chipträgerrahmen.
    • Stand der Technik
  • Wie bekannt ist, besteht auf dem speziellen Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung normalerweise eine Notwendigkeit, den Schaltungschip mit eine Wärmeabführvorrichtung auszustatten.
  • Die Wärmeabführvorrichtung ist nicht anderes als ein Metallstück oder jedenfalls ein guter Wärmeleiter, der eine Masse besitzt, die entschieden größer ist als die des Chips, und der in Berührung mit letzterem angeordnet wird, um die Wärmezerstreuung während des Betriebs der Schaltung zu erleichtern.
  • Die typische Konstruktion eines Chip-Bausteins, der mit einer Wärmeabführvorrichtung ausgestattet ist, sieht vor, daß der Schaltungschip auf einem zentralen Bereich eines Rahmens untergebracht und festgehalten ist, der aus einem dünnen Metallplättchen besteht.
  • Der Schaltungschip und der Rahmen stehen entlang der Oberfläche der Halbleiterschaltung in Berührung, während die integrierte Schaltung auf der offenen Oberfläche des Schaltungschips freiliegt. Der zentrale Bereich des Rahmens ist auch mit dem Wärmeabführelement auf der dem Schaltungschip gegenüberliegenden Seite verbunden.
  • Außerdem ist in dem Rahmen eine Mehrzahl von Verbindern einstückig ausgebildet, die im wesentlichen aus Kontaktstiften bestehen, die nach Beendigung des Produktionsvorgangs eine Montage und Verbindung des Schaltungschips auf einer gedruckten elektronischen Schaltungsplatte ermöglichen. Um den Schaltungschip herum sind vorbestimmte Kontaktstellen (Kontaktflächen) vorgesehen, zu denen Anschlüsse der Schaltungskonstruktion führen. Zwischen den Kontaktflächen und den inneren Enden der entsprechenden Stifte sind dünne Drähte verbunden.
  • Schließlich sind der Metallrahmen, der integrierte Schaltungschip und das Wärmeabführelement in einer monolithischen Körperhülle eingeschlossen, die durch Spritzgießen mit einem elektrisch isolierenden Material, z. B. Epoxyharz, gebildet ist.
  • Das Endergebnis dieser Reihe von Vorgängen ist in der beigefügten Fig. 1 schematisch dargestellt, die einen vergrößerten Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Chip-Bausteins zeigt, der in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik ausgebildet ist. In Fig. 1 ist zu sehen, daß eine Hauptfläche des Wärmeabführelements an der Oberfläche des Harzmantels zum Vorschein kommt.
  • Zur weiteren Klarstellung der Gesichtspunkte der Erfindung ist es von Nutzen, die Phasen eines bekannten Typs eines Herstellungsverfahrens kurz zu erläutern, das zur Herstellung eines Chip-Bausteins führt und als "Einsetzverfahren" bekannt ist.
  • Es erfolgt ein Einsetzen und Unterbringen des Wärmeabführelements auf dem Boden einer Aussparung, die in der unteren Hälfte einer Spritzgießform für unter Wärme aushärtendes Kunstharz ausgebildet ist.
  • Der Chipträgerrahmen wird derart auf die Ränder der Aussparung aufgesetzt, daß sein leicht abgesenkter zentraler Bereich mit dem Wärmeabführelement in Berührung tritt.
  • Die oberen Hälte der Form wird über der unteren Hälfte der Form angeordnet, um das Einspritzen von Harzmaterial sowie die Herstellung eines Chip-Bausteins zu ermöglichen, wie dies in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist.
  • Eine Modifikation dieses Verfahrens sieht vor, daß das Wärmeabführelement mit dem Rahmen verbunden wird, bevor die Verbindung der Leitungsdrähte zwischen dem Schaltungschip und den Stiften sowie das Spritzgießen des Harzmaterials erfolgen.
  • In allen Fällen hat der Chip-Baustein für Zwecke zur Formherstellung die Gestalt, wie sie in Fig. 5 schematisch im Schnitt dargestellt ist, wobei darin zu sehen ist, daß die verschiedenen Zugspannungen, die einen Einfluß auf die verschiedenen beim Herstellungsprozeß beteiligten Materialien haben, ein Biegen in der durch die Pfeile C dargestellten Richtung hervorrufen.
  • Im großen und ganzen erfährt die ideale Ebene, in der der Chipträgerrahmen angeordnet ist und die durch die Achse A-A' verläuft, eine Biegung, deren Konsequenzen für die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des Schaltungschips sehr ernst sein können.
  • Es wurde in der Tat festgestellt, daß aufgrund dieser Zugspannungen der Schaltungschip brechen und nutzlos werden kann. Oder der Kontakt zwischen dem Chipträgerrahmen und dem Wärmeabführelement kann reißen, wodurch sich die Effizienz der Wärmeabführung vermindert und dadurch wiederum die Lebensdauer des Schaltungschips geringer wird.
  • Die Patent Abstracts of Japan. Bd. 016, Nr. 192 und die japanische Veröffentlichung JP-A-04027 145 offenbaren einen elektronischen Chip-Baustein mit einem elektronischen Chip, der mit einer unteren Wärmeabstrahlplatte direkt verbunden wird. Der elektronische Chip wird dann durch Golddrähte mit einem Leiterrahmen verbunden. Eine obere Wärmeabstrahlplatte wird dann mit der unteren Wärmeabstrahlplatte verbunden, und die resultierende Konstruktion wird einem Spritzgießvorgang unterzogen, um den Chip-Baustein zu bilden.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Chip-Bausteins mit konstruktionsmäßigen und funktionsmäßigen Eigenschaften, die eine Steigerung seiner Zuverlässigkeit sowie eine Erhöhung seiner Lebensdauer ermöglichen und dabei die vom Stand der Technik bisher vorgeschlagenen Lösungen übertreffen.
    • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Der innovative Gedanke der vorliegenden Erfindung basiert auf der Annahme, daß das Vorhandensein des Wärmeabführelements in entscheidender Weise zu der Entstehung derjenigen Spannungsbelastungen beiträgt, die während des Erstarrens des unter Wärme aushärtenden Harzes zu einem Biegen des Schaltungschips führen. Das Wärmeabführelement sollte daher in dem Chip-Baustein anders positioniert werden.
  • Auf der Basis dieses innovativen Gedankens wird die Aufgabe gelöst durch einen Chip-Baustein, wie er im beigefügten Anspruch 1 angegeben ist.
  • Ein Verfahren zum Steigern der Zuverlässigkeit bei einem Halbleiterchip-Baustein ist in dem beigefügten Anspruch 10 angegeben.
  • Die Eigenschaften und Vorteile der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind in der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels derselben angegeben, das nachfolgend anhand eines nicht einschränkenden Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wird.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische vergrößerte Längsschnittansicht eines Chip-Bausteins, der gemäß dem Stand der Technik ausgebildet ist;
  • Fig. 2 bis 4 schematische im Schnitt dargestellte Ansichten von einzelnen Phasen eines Herstellungsverfahrens bekannten Typs, das zur Herstellung des Chip-Bausteins der Fig. 1 führt;
  • Fig. 5 eine detailliertere Darstellung der Konstruktion des Chip-Bausteins der Fig. 1;
  • Fig. 6 eine Perspektivansicht mit auseinandergezogenen Teilen eines Chip-Bausteins, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
  • Fig. 7 eine schematische vergrößerte Längsschnittansicht des Chip-Bausteins der Fig. 6;
  • Fig. 8 bis 11 schematische Schnittansichten des Chip- Bausteins während einzelner Phasen eines Herstellungsverfahrens, das zur Schaffung des Chip-Bausteins gemäß der vorliegenden Erfindung führt;
  • Fig. 12 eine vergrößerte Ansicht eines Details des Beispiels der Fig. 11; und
  • Fig. 13 eine teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht des Details der Fig. 12, wobei Teile auseinandergezogen sind.
    • Ausführliche Beschreibung
  • Unter Bezugnahme auf die vorstehend genannten Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 schematisch einen gesamten Chip-Baustein, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist.
  • Der Chip-Baustein 1 beinhaltet in einer Körperhülle 2 aus Kunststoffmaterial wenigstens einen elektronischen Schaltungschip 3 auf einem Halbleiter, der auf einem Trägerrahmen 4 angebracht ist, sowie eine Wärmeabführvorrichtung 5 in Berührung mit dem Schaltungschip 3.
  • Der Schaltungschip 3 ist im wesentlichen einem Halbleiter zugeordnet und auf einem zentralen Bereich 6 des Chipträgerrahmens 4 untergebracht und festgehalten, der aus einem dünnen Metallplättchen besteht.
  • Der Schaltungschip 3 und der Chipträgerrahmen 4 befinden sich entlang der Oberfläche des Halbleitersubstrats in Berührung, wobei die Schaltung auf der offenen Oberfläche des Schaltungschips 3 freiliegt. In dem Chipträgerrahmen 4 ist eine Mehrzahl von Verbindern einstückig ausgebildet, die im wesentlichen aus Kontaktstiften 7 bestehen, die am Ende des Herstellungsvorgangs eine Montage und Verbindung des Schaltungschips 3 auf einer gedruckten Schaltungsplatte ermöglichen. Um den Schaltungschip 3 herum sind vorbestimmte Kontaktflächen 8 vorgesehen, zu den Leitungsanschlüsse der Schaltungskonstruktion führen. Die Verbindung zwischen den Kontaktflächen 8 und den inneren Enden der entsprechenden Stifte 7 ist durch dünne Metalldrähte 9 gebildet.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Wärmeabführvorrichtung 5 vorteilhafterweise wenigstens zwei strukturell voneinander unabhängige Wärmeabführelemente 15 und 16 in gegenseitiger Berührung auf.
  • Diese Wärmeabführelemente 15 und 16 befinden sich auf entgegengesetzten Seiten des Rahmens 4 und sind insbesondere symmetrisch in Relation zu dem Rahmen angeordnet.
  • Außerdem sind die die Wärmeabführvorrichtungen bildenden Wärmeabführelemente 5 durch Abstandszapfen 12 trennbar miteinander verbunden, die Löcher 12 durchsetzen, die durch den Chipträgerrahmen 4 hindurch ausgebildet sind. Die Zapfen 11 weisen jeweilige einander gegenüberliegende Zapfenhälften, d. h. Zapfenhälften 12 und 13 auf, die geformte und einander zugeordnete Enden besitzen.
  • Die Zapfenhälften 12 und 13 ragen von den Elementen 15 bzw. 16 weg und sind einstückig mit dem entsprechenden Wärmeabführelement ausgebildet.
  • Vorzugsweise ist das Ende 14 der Zapfenhälften 12 spitz oder mit einem Verbindungszahn ausgebildet. Dieses Ende wird mit dem Ende der entsprechenden, gegenüberliegenden Zapfenhälfte 13 gekoppelt, die einen Sitz 17 zum Aufnehmen desselben aufweist.
  • Diese Konstruktionseigenheit ermöglicht ein Selbstzentrieren und Zusammenkommen der Zapfenhälften 12 und 13 in Richtung auf eine Selbstausfluchtung, wenn ihre Enden miteinander verbunden werden, wie dies in den Fig. 12 und 13 dargestellt ist.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Zapfenhälften 12 einstückig sowie in einer ausreichenden Anzahl an dem Wärmeabführelement 15 ausgebildet, während die entsprechenden Zapfenhälften 13 an dem Element 16 ausgebildet sind. Selbstverständlich spricht nichts gegen eine Modifizierung des Zapfenhälften-Typs an dem einem oder dem anderen Wärmeabführelement.
  • Es werden nun kurz die Phasen des Herstellungsprozesses beschrieben, die zur Schaffung des Chip-Bausteins gemäß der vorliegenden Erfindung führen.
  • Das erste Wärmeabführelement 15 wird auf den Boden 18 einer Aussparung 19 gesetzt, die in der unteren Formhälfte 20 einer Spritzgießform für unter Wärme aushärtendes Harzmaterial ausgebildet ist, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist.
  • Der Chipträgerrahmen 4 zum Tragen des Schaltungschips 3 wird derart auf die Ränder der Aussparung 19 aufgesetzt, daß der leicht abgesenkte zentrale Bereich 6 des Schaltungschips 3 mit dem Wärmeabführelement 15 in Berührung tritt, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist.
  • Das zweite Wärmeabführelement 16 wird über dem ersten Wärmeabführelement in einer derartigen Weise plaziert, daß die jeweiligen Zapfenhälften 12 und 13 miteinander in Verbindung treten und die Abstandszapfen 11 bilden, wie dies in Fig. 12 gezeigt ist.
  • Die obere Formhälfte 21 wird über der unteren Formhälfte 20 plaziert und liegt auf der oberen Oberfläche 22 des Wärmeabführelements 16 auf. Die auf diese Weise geschlossene Form ist bereit für das Einspritzen von unter Wärme aushärtendem Harzmaterial und die Herstellung des Chip-Bausteins 1.
  • Aus der vorstehenden Beschreibung ist klar, daß der Chip-Baustein gemäß der vorliegenden Erfindung seine Aufgabe erfüllt und zahlreiche Vorteile schafft, von denen der erste in der Tatsache liegt, daß das Wärmeabführelement im wesentlichen eine symmetrische Konstruktion in Relation zu dem Chipträgerrahmen besitzt.
  • Dies verhindert die Bildung von Zugspannungen, die den Schaltungschip während des Erstarrens des unter Wärme aushärtenden Harzmaterials beschädigen könnten.
  • Die Konstruktion des Chip-Bausteins gemäß der vorliegenden Erfindung unterstützt ferner die Wärmeabführung besser als Vorrichtungen, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt sind.
  • Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, daß die vorstehend beschriebene und dargestellte Kopplung 11 zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Wärmeabführelementen ein verbessertes Schließen der beiden die Harz-Spritzform bildenden Formhälften ermöglicht und somit Harzgrate verhindert, die an der Außenoberfläche der Wärmeabführelemente häufig vorhanden sind.
  • An dem Chip-Baustein gemäß der vorliegenden Erfindung können Modifikationen und Änderungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, wie sie in den beigefügten Ansprüchen angegeben sind.

Claims (10)

1. Chip-Baustein, der in einer Körperhülle (2) aus Kunststoffmaterial folgendes aufweist:
- wenigstens eine elektronische Schaltung auf einem Halbleiterchip (3), und
- eine Wärmeäbführvorrichtung (5), wobei die Wärmeabführvorrichtung (5) wenigstens zwei strukturell voneinander unabhängige Wärmeabführelemente (15, 16) in gegenseitiger Berührung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterchip (3) auf einem Chipträgerrahmen (4) angebracht ist und daß der Chipträgerrahmen (4) mit der Wärmeabführvorrichtung (5) in Berührung steht.
2. Chip-Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wärmeabführelemente (15, 16) auf entgegengesetzten Seiten des Chipträgerrahmens (4) angeordnet sind.
3. Chip-Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabführelemente (15, 16) in Relation zu dem Chipträgerrahmen (4) symmetrisch angeordnet sind.
4. Chip-Baustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabführelemente (15, 16) durch Abstandszapfen (11) trennbar miteinander verbunden sind.
5. Chip-Baustein nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (11) aus einander gegenüberliegenden Zapfenhälften (12, 13) bestehen, die geformte und einander zugeordnete Enden aufweisen, die von den jeweiligen Wärmeabführelementen (15, 16) wegragen.
6. Chip-Baustein nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfenhälften (12, 13) in jedem entsprechenden Element (15, 16) einstückig ausgebildet sind.
7. Chip-Baustein nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (11) Löcher (10) durchsetzen, die in dem Chipträgerrahmen (4) ausgebildet sind.
8. Chip-Baustein nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (11) in wenigstens einem der beiden Wärmeabführelemente (15, 16) einstückig ausgebildet sind.
9. Chip-Baustein nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfenhälften (12, 13) jeweilige selbstzentrierende Enden (14, 17) aufweisen, die komplementär zueinander geformt sind.
10. Verfahren zum Steigern der Zuverlässigkeit eines Halbleiterchip-Bausteins, der in einer Körperhülle (2) aus Kunststoffmaterial folgendes aufweist:
- wenigstens einen Schaltungschip (3), der auf einem Chipträgerrahmen (4) angebracht ist, und
- Wärmeabführelemente (15, 16) in Berührung mit dem Schaltungschip (3), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Plazieren eines ersten Wärmeabführelements (15) in einem Gehäuse auf dem Boden (18) einer Aussparung (19), die in der unteren Hälfte (20) einer Spritzgießform für Kunststoffmaterial ausgebildet ist,
- Positionieren des Chipträgerrahmens (4) auf den Rändern der Aussparung (19) derart, daß ein leicht abgesenkter zentraler Bereich (6) des Chipträgerrahmens (4) mit dem ersten Wärmeabführelement (15) in Berührung tritt,
- Plazieren eines zweiten Wärmeabführelements (16) über dem ersten Wärmeabführelement (15) und Verbinden des zweiten Wärmeabführelements (16) mit dem ersten Wärmeabführelement (15) mittels Abstandszapfen (11),
- Plazieren einer oberen Formhälfte (21) über dem zweiten Wärmeabführelement (16) und Schließen der Form.
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