DE10149580A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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DE10149580A1
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metal
insulating substrate
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Abstract

Die vorliegende Erfindung gibt eine Halbleitervorrichtung mit verbesserten Wärmeabführungseigenschaften an. Ein Leistungselement (1) ist auf einem Metallblock (3) angeordnet und mit diesem durch ein Verbindungsmaterial (9) verbunden. Ein isolierendes Substrat (4) besteht aus einem Keramiksubstrat (6) und Metallschichten (5, 7), die auf beiden Oberflächen des Keramiksubstrats (6) ausgebildet sind und einander entsprechende Dicken aufweisen. Der Metallblock (3) und das isolierende Substrat (4) sind pro Isoliereinheit des Leistungselements (1) vorgesehen. Die Metallschicht (5) des isolierenden Substrats (4) ist durch ein Verbindungsmaterial (10) mit einer Oberfläche des Metallblocks (3) verbunden, die der Oberfläche desselben zum Bilden des Leistungselements (1) entgegengesetzt ist. Ein Elektrodenanschluß (2n) ist an einer Oberfläche eines Metallblocks (3n) angebracht, mit der ein Leistungselement (1n) durch Ultraschallverbindung oder dergleichen verbunden ist. Elektrodenanschlüsse (2b, 2c) sind mit nicht gezeigten Elektroden des Leistungselements durch Aluminiumdrähte (8) verbunden. Das Leistungselement (1), die Elektrodenanschlüsse (2a, 2b, 2c) und der Metallblock (3) sind in eine Harzkapselung (11) eingekapselt, während die Metallschicht (7) des isolierenden Substrats (4) freiliegend bleibt. Eine nicht gezeigt externe Wärmeabführungseinrichtung ist an der freiliegenden Metallschicht (7) des isolierenden Substrats (4) angebracht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiter­ vorrichtung und betrifft im spezielleren den Aufbau einer Leistungs-Halbleitervorrichtung, die für die Leistungssteue­ rung verwendet wird.
Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht, in der der Aufbau einer Leistungs-Halbleitervorrichtung des einschlägigen Standes der Technik schematisch dargestellt ist. Die Leistungs-Halb­ leitervorrichtung des Standes der Technik beinhaltet Leistungselemente 1, eine Basisplatte 13, ein isolierendes Substrat 14, ein Gehäuse 27 mit daran angebrachten Elektro­ denanschlüssen 22 sowie eine Abdeckung 28.
Das isolierende Substrat 4 besteht aus einem Keramiksubstrat 6, das zum Beispiel aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid hergestellt ist, sowie Metallschichten 5, 7, die auf beiden Oberflächen des Keramiksubstrats 6 ausgebildet sind.
Das Leistungselement 1 ist oben auf der Metallschicht 5 ange­ ordnet und durch Lötmaterial 19 mit dieser verbunden. Ferner ist ein Schaltungsmuster auf der Metallschicht 5 gebildet. Die aus Kupfer oder dergleichen hergestellte Basisplatte 13 wirkt als Kühlkörper für die Wärmeabführung.
Die Metallschicht 7 des isolierenden Substrats 4 ist auf der Basisplatte 13 angeordnet und durch Lötmaterial 20 mit dieser verbunden. Das Leistungselement 1 und das isolierende Sub­ strat 4 sind in dem Gehäuse 27 derart aufgenommen, daß die Basisplatte 13 auf ihrer Seite, die ihrer Oberfläche zur Bil­ dung des isolierenden Substrats 4 entgegengesetzt ist, eine freiliegende Oberfläche aufweist.
Das Leistungselement 1 ist durch Aluminiumdrähte mit dem Elektrodenanschluß 22 im Inneren des Gehäuses 27 sowie mit dem Schaltungsmuster auf der Metallschicht 5 verbunden. Das Gehäuse 27 ist mit einem Silikongel 25 gefüllt, so daß das Leistungselement 1, das isolierende Substrat 4 und die Basis­ platte 13 bedeckt sind.
Ein oberer Bereich des Gehäuses 27 ist mit einem Epoxy-Harz 26 dicht verschlossen. Außerdem ist die Abdeckung 28 an dem Gehäuse 27 angebracht. Es ist in Fig. 10 zwar nicht darge­ stellt, jedoch kann eine externe Wärmeabführungseinrichtung an der von dem Gehäuse 27 freiliegenden Oberfläche der Basis­ platte 13 vorgesehen sein.
Einer der Elektrodenanschlüsse 22, der auf eine Außenseite des Gehäuses 27 geführt ist, ist mit einer Schrauböffnung 24 versehen. Dieser Elektrodenanschluß 22 ist an einer derarti­ gen Stelle angeordnet, daß das Zentrum einer Mutter 29 zum Anbringen einer Elektrode sowie das Zentrum der Schraub­ öffnung 24 miteinander übereinstimmen.
Ein Elektrodenanschluß einer externen Vorrichtung (nicht ge­ zeigt) wird an dem Elektrodenanschluß 22 angeordnet, und eine Schraube (nicht gezeigt) wird von der Außenseite des Gehäuses 27 in die Schrauböffnung 24 eingeführt. Die Schraube wird da­ durch mit der in dem Gehäuse 27 versenkt angeordneten Mutter 29 in gewindemäßigen Eingriff gebracht, um die Elektrode zu befestigen und dadurch eine Verbindung und Fixierung des Elektrodenanschlusses der externen Vorrichtung mit dem Elek­ trodenanschluß 24 herzustellen.
Bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung des einschlägigen Standes der Technik wird an dem Leistungselement 1 erzeugte Wärme durch das Lötmaterial 19, das isolierende Substrat 4, das Lötmaterial 20 sowie die Basisplatte 13 nach außerhalb von der externen Wärmeabführungseinrichtung (nicht gezeigt) abgeführt.
Die Basisplatte 13 und die externe Wärmeabführungseinrichtung sind aus Kupfer oder dergleichen hergestellt und besitzen eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 380 W/mK. Die Wärmeleitfähig­ keit der Lötmaterialien 19 und 20 liegt im Bereich von 20 bis 30 W/mK. Das aus den Metallschichten 5, 7 und dem Keramiksub­ strat 6 bestehende isolierende Substrat 4 besitzt eine Wärme­ leitfähigkeit, die in erster Linie durch die Wärmeleitfähig­ keit des Keramiksubstrats 6 bestimmt ist und im Bereich von 20 bis 180 W/mK liegt.
Das heißt, die Lötmaterialien 19, 20 und das isolierende Sub­ strat 4 besitzen Wärmeleitfähigkeiten, die bei weitem gerin­ ger sind als die Wärmeleitfähigkeit der Basisplatte 13 und der externen Wärmeabführungseinrichtung. Da die Lötmateria­ lien 19, 20 und das isolierende Substrat 4 ferner direkt unter dem Leistungselement 1 angeordnet sind, sind Bereiche in diesen Elementen, durch die von dem Leistungselement 1 er­ zeugte Wärme hindurchtritt, in etwa ebenso groß wie die Fläche des Leistungselements 1.
Aus diesem Grund werden die Lötmaterialien 19, 20 sowie das isolierende Substrat 4 zu einem Haupthindernis für die Wärme­ leitung.
Aluminiumoxid wird als Material für das Keramiksubstrat 6 häufig verwendet. Alternativ hierzu kann ein anderes Mate­ rial, wie zum Beispiel Aluminiumnitrid, in manchen Fällen verwendet werden, wobei die Wärmeleitfähigkeit höher ist als die des Aluminiumoxids und sich dadurch eine Verbesserung bei der Wärmeleitung des isolierenden Substrats 4 erzielen läßt. Da jedoch Aluminiumnitrid teurer ist als Aluminiumoxid, wird gleichzeitig ein Anstieg in den Materialkosten verursacht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer Halbleitervorrichtung mit verbesserten Wärmeabführungs­ eigenschaften.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 4 angegebenen Merkmale.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt gibt die vorliegende Erfin­ dung eine Halbleitervorrichtung an, die folgendes aufweist: ein Halbleiterelement mit einer Elektrode; einen Metallblock mit einer ersten Oberfläche und einer dieser gegenüberliegen­ den zweiten Oberfläche; einen Elektrodenanschluß, der mit der ersten Oberfläche des Metallblocks verbunden ist; und ein Keramiksubstrat, das mit der zweiten Oberfläche des Metall­ blocks verbunden ist und auf beiden Oberflächen ausgebildete Metallschichten aufweist, wobei das Halbleiterelement und die Elektrode mit der ersten Oberfläche des Metallblocks durch ein Verbindungsmaterial verbunden sind.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind bei der Halbleitervorrichtung die auf beiden Oberflächen des Keramiksubstrats ausgebildeten Metallschichten mit einer identischen Dicke ausgestattet.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind bei der Halbleitervorrichtung eine Vielzahl von Halb­ leiterelementen vorhanden, wobei der Metallblock und das Keramiksubstrat pro Isoliereinheit von mindestens einem der Vielzahl von Halbleiterelementen getrennt ausgebildet sind, wobei ein Metallblock und das Keramiksubstrat entsprechend mindestens einem der Vielzahl von Halbleiterelementen vorge­ sehen sind und wobei sich ein weiterer Metallblock und das Keramiksubstrat über die Gesamtheit der Vielzahl von Halblei­ terelementen erstrecken, um die Isoliereinheit zu bilden.
Gemäß einem vierten Gesichtspunkt gibt die vorliegende Erfin­ dung eine Halbleitervorrichtung an, die folgendes aufweist: einen Metallblock mit einer ersten Oberfläche und einer die­ ser gegenüberliegenden zweiten Oberfläche; ein Halbleiter­ element, das mit der ersten Oberfläche des Metallblocks durch ein Verbindungsmaterial verbunden ist; eine isolierende Harz­ schicht mit einer dritten Oberfläche und einer dieser gegen­ überliegenden vierten Oberfläche, wobei die dritte Oberfläche mit der zweiten Oberfläche des Metallblocks verbunden ist; sowie eine Harzkapselung zum Einkapseln des Metallblocks und des Halbleiterelements, wobei die vierte Oberfläche der iso­ lierenden Harzschicht freiliegt und die isolierende Harz­ schicht eine höhere Elastizität als die Harzkapselung auf­ weist.
Gemäß einem fünften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist bei der Halbleitervorrichtung die isolierende Harzschicht aus einem Silikonharz hergestellt, das mit einem Keramikmate­ rial versetzt ist.
Gemäß einem sechsten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist bei der Halbleitervorrichtung der Metallblock pro Iso­ liereinheit des Halbleiterelements vorgesehen.
Gemäß einem siebten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist bei der Halbleitervorrichtung der Metallblock auf einer dem Verbindungsmaterial gegenüberliegenden Seite eine Ober­ fläche mit einer Fläche auf, die größer ist als die des Ver­ bindungsmaterials.
Gemäß einem achten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird bei der Halbleitervorrichtung ein Spalt zwischen dem Metallblock und dem Halbleiterelement mit zunehmender Distanz von dem Zentrum des Halbleiterelements breiter, wobei der Spalt mit dem Verbindungsmaterial gefüllt ist.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist der mit zufriedenstellender Wärmeleitfähigkeit ausgestattete Metallblock in einer näher zu dem Wärme erzeugenden Halbleiterelement hin gelegenen Position als eine Position des Keramiksubstrats vorgesehen, das als Haupthindernis für die Wärmeleitung wirkt. Infolge­ dessen läßt sich eine zufriedenstellende Wärmeableitung erzielen.
Da das Keramiksubstrat ferner an dem Metallblock vorgesehen ist, kann das Keramiksubstrat für eine dielektrische Durch­ bruchspannung verantwortlich sein. Infolgedessen kann das Verbindungsmaterial in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähig­ keit ausgewählt werden, ohne daß dabei die dielektrische Durchbruchspannung berücksichtigt werden muß.
Die Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten Gesichtspunkt weist einen weiteren Vorteil dadurch auf, daß aufgrund der Verbindung der Elektrode des Halbleiterelements und des Elek­ trodenanschlusses durch den Metallblock eine Reduzierung des Energieverlusts der Halbleitervorrichtung realisiert wird.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weisen die auf den beiden Ober­ flächen des Keramiksubstrats ausgebildeten Metallschichten einander entsprechende Dicken auf. Das Ausmaß an Verzerrung in dem Keramiksubstrat kann somit bei der Verbindung des Keramiksubstrats mit dem Metallblock reduziert werden.
Aus diesem Grund läßt sich die flache Ausbildung einer Kon­ taktfläche des Keramiksubstrats steigern, an der eine externe Wärmeabführungseinrichtung angebracht werden kann, so daß sich die Wärmeabführungseigenschaften verbessern lassen.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung sind der Metallblock und das Kera­ miksubstrat pro Isoliereinheit des Halbleiterelements vorge­ sehen. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Halbleiter­ elementen an einer einzigen Halbleitervorrichtung vorgesehen werden, wobei die elektrische Isolierung unter den Halb­ leiterelementen aufrechterhalten bleibt.
Da die Halbleiterelemente unter Verwendung des Metallblocks untereinander verbunden werden können, läßt sich weiterhin die Verdrahtungsflexibilität erhöhen.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besitzt die isolierende Harz­ schicht eine zufriedenstellende Elastizität. Dadurch ist es möglich, einen Spalt zwischen der isolierenden Harzschicht und einer an der isolierenden Harzschicht angebrachten, externen Wärmeabführungseinrichtung zu reduzieren, um dadurch die Notwendigkeit einer Beschichtung mit Fett für die Wärme­ ableitung zu eliminieren.
Infolgedessen werden eine Reduzierung der Materialkosten sowie eine Verbesserung der Produktivität und der Wärmeabfüh­ rungseigenschaften der Halbleitervorrichtung erzielt.
Weiterhin ist der Metallblock mit zufriedenstellender Leitfä­ higkeit an einer Stelle vorgesehen, die näher bei dem Halb­ leiterelement für die Wärmeerzeugung liegt als die Position der isolierenden Harzschicht, die das Haupthemmnis für die Wärmeleitung bildet. Infolgedessen lassen sich zufriedenstel­ lende Wärmeabführungseigenschaften erzielen.
Die Halbleitervorrichtung gemäß dem vierten Gesichtspunkt weist den weiteren Vorteil auf, daß aufgrund der Ausbildung der isolierenden Harzschicht an dem Metallblock die isolie­ rende Harzschicht für eine dielektrische Durchbruchspannung verantwortlich sein kann. Infolgedessen läßt sich das als Verbindungsmaterial dienende Material im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit auswählen, ohne daß die dielektrische Durchbruchspannung berücksichtigt werden muß.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem fünften Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist die isolierende Harzschicht mit einem Keramikpulver mit zufriedenstellender Wärmeleit­ fähigkeit versetzt. Die Wärmeabführungseigenschaften lassen sich somit verbessern.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem sechsten Gesichts­ punkt der vorliegenden Erfindung ist der Metallblock pro Iso­ liereinheit des Halbleiterelements vorgesehen. Auf diese Weise ist es möglich, eine elektrische Isolierung unter den jeweiligen Halbleiterelementen aufrecht zu erhalten.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem siebten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist der Metallblock eine Ober­ fläche mit einer Fläche auf, die größer ist als die des Ver­ bindungsmaterials. Auf diese Weise ist eine Diffusion der Wärme von dem Halbleiterelement möglich, so daß die Wärme innerhalb einer größeren Fläche durch ein Material hindurch abgeleitet werden kann, das das Haupthindernis für die Wärme­ leitung bildet. Infolgedessen werden die Wärmeabführungs­ eigenschaften verbessert.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem achten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist aufgrund der Tatsache, daß ein Spalt zwischen dem Metallblock und dem Halbleiterelement mit zunehmender Distanz von dem Zentrum des Halbleiterelements breiter wird, die Dicke des Verbindungsmaterials an der Peri­ pherie des Halbleiterelements größer als die Dicke am Zentrum desselben. Hierdurch läßt sich das Ausmaß an Rißbildungen vermindern.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellungen mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild zur Erläuterung der Halbleitervor­ richtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht, in der die Struktur der Halblei­ tervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schema­ tisch dargestellt ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevor­ zugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung;
Fig. 4 eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Teils der Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in vergrößertem Maßstab;
Fig. 5 eine Perspektivansicht einer Oberfläche eines Metallblocks 3, auf dem ein Leistungselement 1 angebracht wird;
Fig. 6A und 6B Ansichten zur Erläuterung der Leitung von Wärme, die an dem Leistungselement 1 erzeugt wird;
Fig. 7 und 8 Draufsichten zur Erläuterung von Modifikationen der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevor­ zugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung;
Fig. 9 eine Schnittansicht, in der die Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt ist; und
Fig. 10 eine Schnittansicht, in der die Struktur einer Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Technik schematisch dargestellt ist.
Erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie in Fig. 1 ge­ zeigt ist, besteht die Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel zum Beispiel aus einer Drei­ phasen-Wechselrichterschaltung. Genauer gesagt es können Aus­ gangsanschlüsse U, V und W an einen Wechselstrommotor ange­ schlossen sein.
Eingangsanschlüsse P und N können direkt mit einer Gleich­ strom-Stromversorgung oder mit einem Ausgang einer Leistungs- Gleichrichterschaltung einer kommerziellen Stromversorgung zum Erzeugen einer Gleichstromspannung verbunden sein. Ein auf der P-Seite vorgesehenes Leistungselement 1p weist einen IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) 1ap sowie eine Diode 1bp auf, die in umgekehrter Parallelschaltung mit dem IGBT 1ap verbunden ist.
Ein auf der N-Seite vorgesehenes Leistungselement 1n weist einen IGBT 1an sowie eine Diode 1bn auf, die in umgekehrter Parallelschaltung mit dem IGBT 1an verbunden ist. Die das Leistungselement 1p und das Leistungselement 1n in Reihe mit­ einander verbindende Konstruktion wird als Arm oder Zweig be­ zeichnet.
Die Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Aus­ führungsbeispiel weist drei Zweige auf, die einander parallel geschaltet sind. Steueranschlüsse GUP, GUN, GVP, GVN, GWP und GWN werden zum Einschalten/Ausschalten jedes IGBT gesteuert, um dadurch die Drehbewegung eines Wechselstrommotors zu steuern.
Die nachfolgend zu beschreibenden Elemente, die einen Elek­ trodenanschluß 2b, einen Metallblock 3, ein isolierendes Sub­ strat 4, Metallschichten 5, 7 sowie ein Keramiksubstrat 6 be­ inhalten, werden nachfolgend durch Bezugszeichen ohne p oder n an ihrem jeweiligen Ende bezeichnet, wenn eine Unterschei­ dung zwischen der P-Seite und der N-Seite nicht erforderlich ist.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht, in der die Struktur der Halb­ leitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungs­ beispiel schematisch dargestellt ist, wobei diese Halbleiter­ vorrichtung die in dem Schaltbild der Fig. 1 dargestellte Schaltungskonfiguration aufweist. Fig. 3 zeigt eine Schnitt­ ansicht entlang des Pfeils A-A in Fig. 2, in der die Struktur der Halbleitervorrichtung nach der Bildung einer Harzkapse­ lung dargestellt ist.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, beinhaltet die Halb­ leitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungs­ beispiel die Leistungselemente 1, Elektrodenanschlüsse 2a, 2b, 2c, die Metallblöcke 3, das isolierende Substrat 4 sowie eine Harzkapselung 11. Zur Unterstützung eines klaren Ver­ ständnisses der Struktur ist die Harzkapselung 11 in Fig. 2 nicht dargestellt.
Stattdessen ist ein Bereich 21 zur Bildung der Harzkapselung 11 dargestellt. Die Elektrodenanschlüsse 2a, 2b und 2c sind durch einen Verbindungsstreifen 12 miteinander verbunden, der nach der Bildung der Harzkapselung 11 abgetrennt wird, um die Elektrodenanschlüsse voneinander zu trennen.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Bereichs B der Fig. 3 in vergrößertem Maßstab. Fig. 5 zeigt eine Perspektivansicht der Oberfläche des Metallblocks 3, auf dem das Leistungs­ element 1 angebracht wird. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, weist der IGBT 1a des Leistungselements 1 eine Hauptfläche zur Bil­ dung einer Kollektorelektrode 50 sowie eine weitere Haupt­ fläche zur Bildung einer Gateelektrode 51 und einer Emitter­ elektrode 52 auf.
Der IGBT 1a ist auf dem Metallblock 3 durch ein Verbindungs­ material 9 derart angebracht, daß die Kollektorelektrode 50 mit dem Metallblock 3 in Berührung ist. Der Metallblock 3 ist auf Kupfer oder dergleichen hergestellt, und das Verbindungs­ material 9 besteht zum Beispiel aus Lötmaterial oder leitfä­ higem Harz.
Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, weist die Oberfläche des Metallblocks 3, auf der das Leistungselement 1 angebracht ist, eine derartige Formgebung auf, daß ein Spalt zwischen der Oberfläche und dem darauf angebrachten IGBT 1a mit zuneh­ mender Entfernung von dem Zentrum des IGBT 1a größer wird. Da dieser Spalt mit dem Verbindungsmaterial 9 gefüllt wird, ist die Dicke des Verbindungsmaterials 9 an der Peripherie des IGBT 1a größer als die Dicke des Verbindungsmaterials 9 in dem Zentrum des IGBT 1a.
Es ist zwar nicht dargestellt, jedoch besitzt die Diode 1b eine Hauptfläche zum Bilden einer Kathodenelektrode sowie eine weitere Hauptfläche zum Bilden einer Anodenelektrode. Die Diode 1b ist auf dem Metallblock 3 durch das Verbindungs­ material 9 derart angebracht, daß die Kathodenelektrode mit dem Metallblock 3 in Berührung ist.
Die Oberfläche des Metallblocks 3, auf der die Diode 1b ange­ bracht ist, weist eine derartige Formgebung auf, daß ein zwi­ schen dieser Oberfläche und der Diode 1b vorhandener Spalt ebenfalls mit zunehmender Distanz von dem Zentrum der Diode 1b größer wird.
Das isolierende Substrat 4 besteht aus dem Keramiksubstrat 6, das zum Beispiel aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid gebildet ist, sowie aus den Metallschichten 5, 7, die auf beiden Oberflächen des Keramiksubstrats 6 ausge­ bildet sind und gleiche Dicke aufweisen. Das Keramiksubstrat 6 weist zum Beispiel eine Dicke im Bereich von 0,3 bis 1,0 mm auf.
Der Metallblock 3 und das Keramiksubstrat 4 sind pro Iso­ liereinheit des Leistungselements 1 vorgesehen. Das heißt, die Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Aus­ führungsbeispiel beinhaltet Metallblöcke 3p, 3n sowie isolie­ rende Substrate 4p, 4n, die unabhängig von der Struktur des Zweigs vorgesehen sind, jedoch jeweils sowohl auf der P-Seite als auf der N-Seite vorgesehen sind.
Eine Metallschicht 5p des isolierenden Substrats 4p ist an ihrer Oberfläche, die der Oberfläche zur Bildung des Leistungselements 1p entgegengesetzt ist, durch ein Verbin­ dungsmaterial 10 mit der Oberfläche des Metallblocks 3p ver­ bunden. Eine Metallschicht 5n des isolierenden Substrats 4n ist in der gleichen Weise wie die Metallschicht 5p mit dem Metallblock 3n verbunden.
Die Oberfläche des Metallblocks 3, die der Oberfläche zur Bildung des damit verbundenen Leistungselements 1 entgegen­ gesetzt ist, weist eine größere Erstreckung auf als die Ver­ bindungsfläche mit dem Leistungselement 1. Das Verbindungs­ material 10 besteht zum Beispiel aus Lötmaterial.
Der Elektrodenanschluß 2a wird an der Oberfläche des Metall­ blocks 3n, mit der das Leistungselement 1 verbunden ist, durch Ultraschallverbindung und dergleichen angebracht.
Aufgrund dieser Tatsache sind die mit dem Metallblock 3n ver­ bundenen Elektroden des Leistungselements 1n, nämlich die Kollektorelektrode 50 des IGBT 1an sowie die Kathoden­ elektrode der Diode 1bn (nicht gezeigt), durch den Metall­ block 3n mit dem Elektrodenanschluß 2a verbunden. Ein Elek­ trodenanschluß 2bp ist mit der Gateelektrode 51 des IGBT 1ap durch einen Aluminiumdraht 8 verbunden, und ein Elektroden­ anschluß 2bn ist mit der Gateelektrode 51 des IGBT 1an durch einen Aluminiumdraht 8 verbunden.
Der Elektrodenanschluß 2c ist mit der Emitterelektrode 52 des IGBT 1an sowie mit der Anodenelektrode der Diode 1bn durch Aluminiumdrähte 8 verbunden. Ferner sind die Emitterelektrode 52 des IGBT 1ap und die Anodenelektrode der Diode 1bp durch Aluminiumdrähte 8 mit dem Metallblock 3n verbunden, auf dem das Leistungselement 1n angebracht ist.
Die Harzkapselung 11 ist zum Beispiel aus einem Epoxy-Harz hergestellt und dient zum dichten Einschließen des Leistungs­ elements 1, der Elektrodenanschlüsse 2a, 2b, 2c sowie des Metallblocks 3, während die Metallschicht 7 des isolierenden Substrats 4 freiliegend bleibt. Es ist in Fig. 3 zwar nicht dargestellt, jedoch kann eine externe Wärmeabführungseinrich­ tung an der freiliegenden Metallschicht 7 des isolierenden Substrats 4 vorgesehen sein.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel mit der vorstehend beschriebenen Struktur wird an dem Leistungselement 1 erzeugte Wärme durch das Ver­ bindungsmaterial 9, den Metallblock 3 und das isolierende Substrat 4 hindurch von der externen Wärmeabführungseinrich­ tung (nicht gezeigt) nach außen abgeführt.
Die Fig. 6A und 6B zeigen Ansichten zur Erläuterung der Lei­ tung der an dem Leistungselement 1 erzeugten Wärme. Fig. 6A zeigt dabei die Wärmeleitung bei der Halbleitervorrichtung des Standes der Technik, wie sie eingangs beschrieben wurde, und Fig. 6B zeigt die Wärmeleitung bei der Halbleitervorrich­ tung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Wenn die Verbindungsmaterialien 9 und 10 zum Beispiel aus Lötmaterial bestehen, werden die Wärmeleitfähigkeiten der Verbindungsmaterialien 9 und 10 als denen der Lötmaterialien 19 und 20 entsprechend betrachtet. Wenn ferner der Metall­ block 3 wie die Basisplatte 13 aus Kupfer gebildet ist, wird die Wärmeleitfähigkeit des Metallblocks 3 ebenfalls als der der Basisplatte 13 entsprechend betrachtet.
Aufgrund dieser Faktoren sind die Verbindungsmaterialien 9, 10 und das isolierende Substrat 4, die niedrigere Leitfähig­ keiten als der Metallblock 3 aufweisen, bei dem ersten bevor­ zugten Ausführungsbeispiel wie bei der Leistungs-Halbleiter­ vorrichtung des eingangs beschriebenen Standes der Technik ebenfalls das Haupthindernis für die Wärmeleitung.
Wie durch eine Wärmeabführungsrichtung 30 in Fig. 6A gezeigt ist, fließt die an dem Leistungselement 1 erzeugte Wärme durch die Lötmaterialien 19, 20 und das isolierende Substrat 4, bei denen es sich um das Haupthindernis für die Wärme­ leitung in der Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Technik handelt, bevor die Wärme durch die Basisplatte 13 hindurchfließt, die eine zufriedenstellende Wärmeleitfähig­ keit aufweist. Somit strömt die Wärme durch das isolierende Substrat 4 innerhalb einer Fläche 32, die in etwa ebenso groß ist wie die Fläche des Leistungselements 1.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel dagegen fließt die an dem Leistungs­ element 1 erzeugte Wärme durch das Verbindungsmaterial 9, das eines der Haupthindernisse für die Wärmeleitung darstellt, und sodann durch den Metallblock 3, der eine zufriedenstel­ lende Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie dies durch eine Wär­ meabführungsrichtung 31 in Fig. 6B dargestellt ist. Als näch­ stes strömt die Wärme durch das Verbindungsmaterial 10 und das isolierende Substrat 4, die die übrigen Haupthindernisse für die Wärmeleitung darstellen.
Aufgrunddessen wird die an dem Leistungselement 1 erzeugte Wärme an dem Metallblock 3 in horizontaler Richtung abge­ führt, d. h. in einer zu der Richtung der Dicke des Metall­ blocks 3 rechtwinkligen Richtung, wonach die Wärme durch das Verbindungsmaterial 10 und das isolierende Substrat 4 strömt. Das heißt, die Wärme strömt innerhalb einer Fläche 33, die ausreichend größer ist als die Fläche des Leistungselements 1, durch das isolierende Substrat 4 hindurch.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Wärme zwar durch das Verbin­ dungsmaterial 9 als Haupthindernis für die Wärmeleitung innerhalb einer Fläche hindurchgeleitet, die in etwa der Fläche des Leistungselements 1 entspricht, jedoch wird die Wärme durch das Verbindungsmaterial 10 und das isolierende Substrat 4 als übriges Haupthindernis für die Wärmeleitung innerhalb einer Fläche hindurchgeleitet, die ausreichend größer ist als die Fläche des Leistungselements 1.
Im Vergleich zu der Leistungs-Halbleitervorrichtung des Stan­ des der Technik lassen sich somit bei der Halbleitervorrich­ tung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel die Wärmeabführungseigenschaften verbessern. Während die Struktur der Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Technik Aluminiumnitrid als Material für das Keramiksubstrat 6 erfor­ derlich macht, um zufriedenstellende Wärmeabführungseigen­ schaften zu erzielen, können bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel Wärmeabfüh­ rungseigenschaften, die denen der Leistungs-Halbleitervor­ richtung des Standes der Technik ähnlich sind, unter Verwen­ dung von Aluminiumoxid für das Keramiksubstrat 6, das kosten­ günstiger ist als Aluminiumnitrid, erzielt werden. Aus diesem Grund ist es möglich, einem Kunden eine Halbleitervorrichtung mit ausgezeichneter Wirtschaftlichkeit zur Verfügung zu stel­ len.
Wärmespannungen werden in dem Verbindungsmaterial 9 aufgrund einer Differenz bei den Linearausdehnungskoeffizienten zwi­ schen dem Metallblock 3 und dem Leistungselement 1 verur­ sacht, so daß es zu Verzerrungen in dem Verbindungsmaterial 9 kommt. Mit zunehmender Distanz von dem Zentrum des Leistungs­ elements 1 werden diese Wärmespannungen stärker.
Aus diesem Grund besteht die Wahrscheinlichkeit einer Riß­ bildung in dem Verbindungsmaterial 9 ausgehend von den vier Ecken des Leistungselements 1. Mit zunehmender Dicke des Ver­ bindungsmaterials 9 wird ferner die Entstehung von Verzerrun­ gen in dem Verbindungsmaterial 9 pro Dickeneinheit vermin­ dert.
Da bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel die Dicke des Verbindungsmaterials 9 an der Peripherie des Leistungs­ elements 1 größer ist als die Dicke desselben im Zentrum des Leistungselements 1, läßt sich das Ausmaß an Rißbildung ver­ mindern.
Da der Metallblock 3 und das isolierende Substrat 4 pro Iso­ liereinheit des Leistungselements 1 vorgesehen sind, läßt sich die elektrische Isolierung innerhalb jedes Leistungs­ elements 1 aufrecht erhalten.
Da die Metallschichten 5 und 7 des isolierenden Substrats 4 gleiche Dicke aufweisen, kann das Ausmaß an Verwerfung bei dem isolierenden Substrat 4 bei Verbindung des isolierenden Substrats 4 mit dem Metallblock 3 reduziert werden. Aus die­ sem Grund läßt sich die flache Ausbildung einer Kontaktfläche des isolierenden Substrats 4 mit der externen Wärmeabfüh­ rungseinrichtung (nicht gezeigt) steigern, so daß wiederum die Wärmeabführungseigenschaften verbessert werden.
Außerdem wird das Leistungselement 1 bei der Leistungs-Halb­ leitervorrichtung des Standes der Technik mittels des Gehäu­ ses 27, der Abdeckung 28, des Silikongels 25 sowie des Epoxy- Harzes 26 dicht eingeschlossen. Dagegen wird das Leistungs­ element 1 bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten be­ vorzugten Ausführungsbeispiel nur mittels der Harzkapselung 11 dicht eingeschlossen. Auf diese Weise wird eine Reduzie­ rung der Materialkosten und der Herstellungskosten verwirk­ licht.
Bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Tech­ nik fließt ferner ein hoher Strom durch die Metallschicht 5 des isolierenden Substrats 4 und die Aluminiumdrähte 8. Die Dicke der Metallschicht 5 liegt zum Beispiel im Bereich von 0,2 bis 0,3 mm, und der Durchmesser der Aluminiumdrähte 8 liegt zum Beispiel im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel fließt ein hoher Strom durch den Metall­ block 3 und den direkt mit dem Metallblock 3 verbundenen Elektrodenanschluß 2a, während ein Strom zum Teil durch die Aluminiumdrähte 8 fließt. Die Dicke des Metallblocks 3 liegt zum Beispiel im Bereich von 1,0 bis 5,0 mm, und die Dicke des Elektrodenanschlusses 2a liegt zum Beispiel im Bereich von 0,5 bis 1,2 mm.
Da der Metallblock 3 und der Elektrodenanschluß 2a eine grö­ ßere Dicke aufweisen als die Metallschicht 5 und die Alumini­ umdrähte 8 beim Stand der Technik, wird der elektrische Widerstand der Halbleitervorrichtung insgesamt vermindert. Der Energieverlust der Halbleitervorrichtung läßt sich somit reduzieren.
In Fig. 2 ist die Emitterelektrode 52 des auf dem Metallblock 3p angebrachten IGBT 1ap mit dem Metallblock 3n durch die Aluminiumdrähte 8 verbunden, um dadurch eine Verbindung zwi­ schen der Emitterelektrode 52 und der Kollektorelektrode 50 des auf dem Metallblock 3n angebrachten IGBT 1an herzustel­ len.
Da der Metallblock 3 pro Isoliereinheit des Leistungselements 1 vorgesehen ist, kann der Metallblock 3 somit zur Herstel­ lung einer Verdrahtung der Aluminiumdrähte 8 verwendet wer­ den. Die Verdrahtungsflexibilität der Aluminiumdrähte 8 wird somit gesteigert.
Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel werden der Metallblock 3 und der Elektrodenanschluß 2a separat vorgese­ hen und durch Ultraschallverbindung miteinander verbunden. Alternativ hierzu können der Metallblock 3 und der Elektro­ denanschluß 2a aus einem Kupferstreifen mit unterschiedlicher Dicke in integraler Weise gebildet werden.
Ferner wird bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel die Verbindung zwischen dem Metallblock 3 und dem Elektroden­ anschluß 2a durch Ultraschallverbindung hergestellt. Alterna­ tiv hierzu kann diese Verbindung durch Lötmaterial und leit­ fähiges Harzmaterial hergestellt werden. In weiter alternati­ ver Weise kann sie auch mechanisch mittels Schrauben herge­ stellt werden.
Bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Ver­ bindungsmaterial 9 derart ausgebildet, daß es eine große Dicke an der Peripherie des auf dem Metallblock 3 angebrach­ ten Leistungselements 1 aufweist, um die in dem Verbindungs­ material 9 entstehenden Wärmespannungen zu vermindern.
Das Ausmaß der in dem Verbindungsmaterial 9 auftretenden Riß­ bildung läßt sich auch durch Verwendung von Molybdän, Kupfer- Molybdän-Legierung, Kupfer-Wolfram-Legierung, einem Verbund­ material aus SiC und Aluminium und dergleichen für den Metallblock 3 vermindern, wobei diese jeweils eine relativ zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeit sowie einen niedrigen Linearausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Die Fig. 7 und 8 zeigen Draufsichten zur Erläuterung von Modifikationen der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist das isolierende Substrat 4p derart vorgesehen, daß es sich über alle Leistungselemente 1p der P-Seite erstreckt.
Ähnlich den Metallblöcken 3n auf der N-Seite kann auch der Metallblock 3p auf der P-Seite bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel pro Leistungselement 1p getrennt ausgebildet sein. Dabei sind die Kollektorelektroden 50 jedes IBGT 1ap durch die Metallschicht 5p des isolierenden Substrats 4 elektrisch miteinander ver­ bunden.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, ist der Metallblock 3p derart vor­ gesehen, daß er sich über alle Leistungselemente 1p auf der P-Seite erstreckt. Ähnlich den isolierenden Substraten 4n auf der N-Seite kann das isolierende Substrat 4p auf der P-Seite bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel wiederum pro Leistungselement 1p getrennt ausgebildet sein.
Dabei sind die Kollektorelektroden 50 jedes IGBT 1ap durch den Metallblock 3p elektrisch miteinander verbunden. Das heißt, der Metallblock 3 und das isolierende Substrat 4 sind pro Isoliereinheit von zumindest einem der Leistungselemente 1 getrennt ausgebildet.
Wenn das isolierende Substrat 4 derart vorgesehen ist, daß es sich über alle Leistungselemente 1 erstreckt, um eine Iso­ liereinheit derselben zu bilden, kann eine Vielzahl von Metallblöcken 3 vorgesehen sein, deren jeder mindestens einem Leistungselement 1 entspricht. Wenn der Metallblock 3 derart vorgesehen ist, daß er sich über alle Leistungselemente 1 er­ streckt, um eine Isoliereinheit derselben zu bilden, kann ferner eine Vielzahl isolierender Substrate 4 vorgesehen sein, deren jedes zumindest einem Leistungselement 5 ent­ spricht.
Zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel
Fig. 9 zeigt eine Schnittansicht, in der die Struktur einer Halbleitervorrichtung gemäß dem zweiten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel schematisch dargestellt ist. Die Halbleitervor­ richtung gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Halbleitervorrichtung gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten bevorzugten Ausführungsbei­ spiel im wesentlichen dadurch, daß das isolierende Substrat 4 durch eine isolierende Schicht 14 aus Harzmaterial ersetzt ist.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, weist die Halbleitervorrichtung gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel die Leistungselemente 1, die Elektrodenanschlüsse 2a, 2b, 2c, die Metallblöcke 3, die isolierende Harzschicht 14 sowie die Harzkapselung 11 auf. Der Metallblock 3 zum Bilden des darauf angebrachten Leistungselements 1 ist pro Isoliereinheit des Leistungselements 1 vorgesehen.
Die isolierende Harzschicht 14 ist auf derjenigen Oberfläche des Metallblocks 3 vorgesehen, die der Oberfläche desselben zum Bilden des Leistungselements 1 entgegengesetzt ist, und erstreckt sich über alle Metallblöcke 3. Genauer gesagt, es ist eine Vielzahl von Metallblöcken 3 auf der isolierenden Harzschicht 14 angebracht. Die isolierende Harzschicht 14 ist zum Beispiel durch Mischen eines Keramikpulvers als Füllstoff in ein Silikonharz gebildet.
Als Keramikpulver ist ein Material, wie zum Beispiel Siliziumoxid, insbesondere kristallines Siliziumoxid, Alumi­ niumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumnitrid und Bornitrid oder ein gemischtes Pulver, das durch Zusammenmischen dieser Mate­ rialien gebildet ist, verwendbar. Die isolierende Harzschicht 14 weist zum Beispiel eine Dicke von 0,2 bis 0,5 mm auf.
Die Harzkapselung 11 wird zum Beispiel aus einem Epoxy-Harz hergestellt, um das Leistungselement 1, die Elektroden­ anschlüsse 2a, 2b, 2c und den Metallblock 3 zu kapseln, wäh­ rend die isolierende Harzschicht 14 freiliegend bleibt. Es ist zwar nicht gezeigt, jedoch kann eine externe Wärme­ abführungseinrichtung an der freiliegenden Oberfläche der isolierenden Harzschicht 14 vorgesehen sein. Bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel werden das Leistungselement 1 und die übrigen Elemente in der Harzkapselung 11 eingeschlos­ sen, nachdem die isolierende Harzschicht 14 an dem Metall­ block 3 vorgesehen worden ist.
Alternativ hierzu können das Leistungselement 1, die Elektro­ denanschlüsse 2a, 2b, 2c und der Metallblock 3 auch in die Harzkapselung 11 eingeschlossen werden, während die Oberflä­ che des Metallblocks 3, die der Oberfläche desselben zum Bil­ den des Leistungselements 1 entgegengesetzt ist, freiliegend bleibt, um anschließend die isolierende Harzschicht 14 derart zu bilden, daß die freiliegende Oberfläche des Metallblocks 3 sowie der Harzkapselung 11 an der Peripherie der freiliegen­ den Oberfläche abgedeckt ist.
Da die übrige Konfiguration der Halbleitervorrichtung gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel dieselbe ist wie bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, wird auf eine Beschreibung derselben verzichtet.
Bei der Struktur des Standes der Technik sowie des ersten be­ vorzugten Ausführungsbeispiels sind die Halbleitervorrichtung und die externe Wärmeabführungseinrichtung aufgrund eines Verwerfens oder Biegens in der Basisplatte 13 zum Halten der externen Wärmeabführungseinrichtung sowie in dem isolierenden Substrat 4 oder aufgrund eines Verwerfens oder Biegens in der externen Wärmeabführungseinrichtung nicht in enger Berührung miteinander angeordnet. Dadurch wird ein Spalt zwischen den Halbleitervorrichtung und der externen Wärmeabführungsein­ richtung erzeugt.
Wenn ferner die externe Wärmabführeinrichtung bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel an einem Teil der aus einem Epoxy-Harz hergestellten Harzkapselung 11 sowie an dem iso­ lierenden Substrat 4 angebracht ist, kann aus dem gleichen Grund ein Spalt erzeugt werden.
Da der Spalt zwischen der Halbleitervorrichtung und der externen Wärmeabführungseinrichtung die Ursache für die Ver­ schlechterung der Wärmeabführungseigenschaften ist, ist es wünschenswert, diesen Spalt mit Fett zu füllen, um bei der Struktur des Standes der Technik und dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel für eine Wärmeabführung zu sorgen.
Da bei der isolierenden Harzschicht 14 zum Festhalten der externen Wärmabführeinrichtung ein Silikonharz verwendet wird, benötigt das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel kein Fett für die Wärmeabführung.
Da ein Silikonharz im allgemeinen eine höhere Elastizität aufweist als ein Metall oder ein Epoxy-Harz, führt bei der Anbringung der externen Wärmeabführungseinrichtung an der isolierenden Harzschicht 14 verursachte Spannung zu einer Verformung des Silikonharzes. Der Spalt zwischen der Halb­ leitervorrichtung und der externen Wärmeabführungseinrichtung kann dadurch reduziert werden.
Aus diesem Grund lassen sich die Wärmeabführungseigenschaften selbst dann verbessern, wenn das Ausmaß der Beschichtung mit Fett für die Wärmeableitung reduziert wird. In manchen Fällen kann eine Beschichtung mit Fett für die Wärmeableitung über­ flüssig sein. Infolgedessen werden eine Reduzierung der Mate­ rialkosten sowie eine Verbesserung der Produktivität erzielt.
Fett für die Wärmeableitung weist eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 1 bis 2 W/mK auf, die geringer ist als die eines Metalls. Aufgrund dieser Tatsache kann auch Fett für die Wärmeableitung an sich ein Haupthindernis für die Wärme­ leitung darstellen. Da jedoch das Ausmaß der Beschichtung mit Fett für die Wärmeableitung reduziert ist, lassen sich die Wärmeabführungseigenschaften bei dem zweiten bevorzugten Aus­ führungsbeispiel verbessern.
Das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet ein Sili­ konharz als Material für die isolierende Harzschicht 14. Alternativ hierzu kann ein Harz mit Elastizitäts- und Isolie­ rungseigenschaften, die denen eines Silikonharzes entspre­ chen, wie zum Beispiel Polyurethangummi und Fluorgummi, zur Erzielung derselben Effekte verwendet werden.
Ferner ist die isolierende Harzschicht 14 mit einem Keramik­ pulver mit ausgezeichneter Wärmeleitfähigkeit versetzt. Die Halbleitervorrichtung gemäß dem zweiten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel besitzt somit verbesserte Wärmeabführungseigen­ schaften im Vergleich zu der Halbleitervorrichtung, die eine isolierende Harzschicht ohne darin eingebrachtes Keramik­ pulver aufweist.
Bezugszeichenliste
1
Leistungselement
1
a IGBT
1
b Diode
2
a,
2
b,
2
c Elektrodenanschlüsse
3
Metallblöcke
4
isolierendes Substrat
5
,
7
Metallschichten
6
Keramiksubstrat
8
Aluminiumdrähte
9
,
10
Verbindungsmaterial
11
Harzkapselung
12
Verbindungsstreifen
13
Basisplatte
14
isolierende Harzschicht
25
Silikongel
26
Epoxy-Harz
27
Gehäuse
28
Abdeckung
33
Fläche für Wärmeleitung
50
Kollektorelektrode
51
Gateelektrode
52
Emitterelektrode

Claims (8)

1. Halbleitervorrichtung, die folgendes aufweist:
ein Halbleiterelement (1) mit einer Elektrode (50);
einen Metallblock (3) mit einer ersten Oberfläche und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Oberfläche;
einen Elektrodenanschluß (2a, 2b, 2c), der mit der ersten Oberfläche des Metallblocks (3) verbunden ist; und
ein Keramiksubstrat (6), das mit der zweiten Oberfläche des Metallblocks (3) verbunden ist und auf dessen beiden Oberflächen Metallschichten (5, 7) ausgebildet sind;
wobei das Halbleiterelement (1) und die Elektrode (50) mit der ersten Oberfläche des Metallblocks (3) durch ein Verbindungsmaterial (9) verbunden sind.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den beiden Oberflächen des Keramiksubstrats (6) ausgebildeten Metallschichten (5, 7) identische Dicke aufweisen.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Vielzahl von Halbleiterelementen (1) vorhanden ist;
daß der Metallblock (3) und das Keramiksubstrat (6) pro Isoliereinheit von mindestens einem der Vielzahl von Halbleiterelementen (1) getrennt ausgebildet sind;
daß ein Metallblock (3) und das Keramiksubstrat (6) ent­ sprechend mindestens einem der Vielzahl von Halbleiter­ elementen (1) vorgesehen sind; und
daß ein weiterer Metallblock (3) und das Keramiksubstrat (6) sich über die Gesamtheit der Vielzahl von Halblei­ terelementen (1) erstreckt, um die Isoliereinheit zu bil­ den.
4. Halbleitervorrichtung, die folgendes aufweist:
einen Metallblock (3) mit einer ersten Oberfläche und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Oberfläche;
ein Halbleiterelement (1), das mit der ersten Oberfläche des Metallblocks (3) durch ein Verbindungsmaterial (9) verbunden ist;
eine isolierende Harzschicht (14) mit einer dritten Ober­ fläche und einer dieser gegenüberliegenden vierten Ober­ fläche, wobei die dritte Oberfläche mit der zweiten Ober­ fläche des Metallblocks (3) verbunden ist; und
eine Harzkapselung (11) zum dichten Einkapseln des Metallblocks (3) und des Halbleiterelements (1), wobei die vierte Oberfläche der isolierenden Harzschicht (14) freiliegend ausgebildet ist und wobei die isolie­ rende Harzschicht (14) eine höhere Elastizität als die Harzkapselung (11) aufweist.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Harzschicht (14) aus einem Silikon­ harz hergestellt ist, das mit einem Keramikmaterial ver­ setzt ist.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallblock (3) pro Isoliereinheit des Halblei­ terelements (1) vorgesehen ist.
7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallblock (3) auf einer dem Verbindungsmaterial (9) gegenüberliegenden Seite eine Oberfläche mit einer Fläche aufweist, die größer ist als die des Verbindungs­ materials (9).
8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Spalt zwischen dem Metallblock (3) und dem Halb­ leiterelement (1) mit zunehmender Distanz von einem Zentrum des Halbleiterelements (1) breiter wird; und
daß der Spalt mit dem Verbindungsmaterial (9) gefüllt ist.
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