DE10149580B4

DE10149580B4 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE10149580B4
Application number: DE2001149580
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Shinohara
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2021-10-09
Also published as: JP2002246515A; US6914321B2; US20020113302A1; DE10149580A1

Abstract

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.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung und betrifft im spezielleren den Aufbau einer Leistungs-Halbleitervorrichtung, die für die Leistungssteuerung verwendet wird.
Die Druckschrift EP 0 650 193 A2 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterelement, einem Metallblock, einem Elektrodenanschluss, einem Keramiksubstrat und einem Verbindungsmaterial. Der Elektrodenanschluss ist dabei mit der ersten Oberfläche des Keramikanschlusses, das Keramiksubstrat mit der ersten Oberfläche des Metallblocks und das Halbleiterelement mit der ersten Oberfläche des Keramiksubstrats verbunden.
Die Druckschrift DE 196 25 240 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung, bei welcher Preßspritzen verwendet werden, um einen Harzverkapselungsschritt zu vereinfachen. Auf diese Weise sollen auch ein verbesserter Wirkungsgrad einer Ableitung von Wärme, die von einer Leistungsvorrichtung erzeugt wird, und eine verbesserte Erzeugnisbelastbarkeit erzielbar sein. Aus diesem Grund sind die Leistungsvorrichtung und eine Steuervorrichtung in vorbestimmten Positionen auf jeweiligen horizontal angeordneten Leiterrahmen angeordnet. Eine Isolierschicht aus Epoxidharz oder dergleichen ist auf einer Hauptoberfläche einer Wärmesenke ausgebildet und eine Schaltungsmusterschicht, die auf einer Hauptoberfläche der Isolierschicht ausgebildet ist, ist so geformt, daß sie einem vorbestimmten Schaltungsmuster entspricht. Die Leiterrahmen sind auf der Schaltungsmusterschicht angeordnet.
Die Druckschrift DE 199 08 749 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erzielung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung bei auf einen Träger aufgelöteten Halbleiter-Elementen, insbesondere in Aufbauten mit hochwirksamer Kühleinrichtung. Dabei ist vorgesehen, daß eine Lotschicht in der Mitte einer Montagestelle des Halbleiter-Elementes dünner als an den Rändern ausgeführt ist. Auf diese Weise sollen der Maximalwert der Halbleiter-Element-Oberflächentemperatur gesenkt sowie die Zuverlässigkeit der Lötverbindung zwischen Halbleiter-Element und Leiterbahn erhöht werden.
9 zeigt eine Schnittansicht, in der der Aufbau einer Leistungs-Halbleitervorrichtung des einschlägigen Standes der Technik schematisch dargestellt ist. Die Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Technik beinhaltet Leistungselemente 1, eine Basisplatte 13, ein isolierendes Substrat 4, ein Gehäuse 27 mit daran angebrachten Elektrodenanschlüssen 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 angeordnet 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 Substrat 4 sind in dem Gehäuse 27 derart aufgenommen, daß die Basisplatte 13 auf ihrer Seite, die ihrer Oberfläche zur Bildung 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 Basisplatte 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 10 zwar nicht dargestellt, jedoch kann eine externe Wärmeabführungseinrichtung an der von dem Gehäuse 27 freiliegenden Oberfläche der Basisplatte 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 derartigen Stelle angeordnet, daß das Zentrum einer Mutter 29 zum Anbringen einer Elektrode sowie das Zentrum der Schrauböffnung 24 miteinander übereinstimmen.
Ein Elektrodenanschluß einer externen Vorrichtung (nicht gezeigt) 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 dadurch 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 Elektrodenanschluß 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 Wärmeleitfähigkeit der Lötmaterialien 19 und 20 liegt im Bereich von 20 bis 30 W/mK. Das aus den Metallschichten 5, 7 und dem Keramiksubstrat 6 bestehende isolierende Substrat 4 besitzt eine Wärmeleitfähigkeit, die in erster Linie durch die Wärmeleitfähigkeit des Keramiksubstrats 6 bestimmt ist und im Bereich von 20 bis 180 W/mK liegt.
Das heißt, die Lötmaterialien 19, 20 und das isolierende Substrat 4 besitzen Wärmeleitfähigkeiten, die bei weitem geringer sind als die Wärmeleitfähigkeit der Basisplatte 13 und der externen Wärmeabführungseinrichtung. Da die Lötmaterialien 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 erzeugte 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 Wärmeleitung.
Aluminiumoxid wird als Material für das Keramiksubstrat 6 häufig verwendet. Alternativ hierzu kann ein anderes Material, 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 Wärmeabführungseigenschaften.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die in dem Anspruch 1 angegebenen, Merkmale.
Demnach wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe mit einer Halbleitervorrichtung gelöst, die folgendes aufweist: ein Halbleiterelement mit einer Elektrode; einen Metallblock mit einer ersten Oberfläche und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Oberfläche; einen Elektrodenanschluß, der mit der ersten Oberfläche des Metallblocks verbunden ist; und ein Keramiksubstrat, das mit der zweiten Oberfläche des Metallblocks verbunden ist und auf dessen beiden Oberflächen Metallschichten ausgebildet sind, wobei das Halbleiterelement und die Elektrode mit der ersten Oberfläche des Metallblocks durch ein Verbindungsmaterial verbunden sind.
Bei einer Weiterbildung der Halbleitervorrichtung können die auf beiden Oberflächen des Keramiksubstrats ausgebildeten Metallschichten mit einer identischen Dicke ausgestattet sein.
Andererseits ist es denkbar, daß eine Vielzahl von Halb leiterelementen vorhanden ist, 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 vorgesehen sind, und wobei sich ein weiterer Metallblock und das Keramiksubstrat über die Gesamtheit der Vielzahl von Halbleiterelementen erstrecken, um die Isoliereinheit zu bilden.
Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung weist der Metallblock auf einer dem Verbindungsmaterial gegenüberliegenden Seite eine Oberfläche mit einer Fläche auf, die größer ist als die des Verbindungsmaterials.
Schließlich ist es ferner denkbar, daß bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ein Spalt zwischen dem Metallblock und dem Halbleiterelement mit zunehmender Distanz von dem Zentrum des Halbleiterelements breiter wird, wobei der Spalt mit dem Verbindungsmaterial gefüllt ist.
Bei der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung 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. Infolgedessen läßt sich eine zufriedenstellende Wärmeableitung erzielen.
Da das Keramiksubstrat ferner an dem Metallblock vorgesehen ist, kann das Keramiksubstrat für eine dielektrische Durchbruchspannung verantwortlich sein. Infolgedessen kann das Verbindungsmaterial in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit ausgewählt werden, ohne daß dabei die dielektrische Durchbruchspannung berücksichtigt werden muß.
Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung weist einen weiteren Vorteil dadurch auf, daß aufgrund der Verbindung der Elektrode des Halbleiterelements und des Elektrodenanschlusses durch den Metallblock eine Reduzierung des Energieverlusts der Halbleitervorrichtung realisiert wird.
Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung weisen die auf den beiden Oberflächen 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 Kontaktfläche des Keramiksubstrats steigern, an der eine externe Wärmeabführungseinrichtung angebracht werden kann, so daß sich die Wärmeabführungseigenschaften verbessern lassen.
Bei einer anderen Realisierung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung sind der Metallblock und das Keramiksubstrat pro Isoliereinheit des Halbleiterelements vorgesehen. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von Halbleiterelementen an einer einzigen Halbleitervorrichtung vorgesehen werden, wobei die elektrische Isolierung unter den Halbleiterelementen aufrechterhalten bleibt.
Da die Halbleiterelemente unter Verwendung des Metallblocks untereinander verbunden werden können, läßt sich weiterhin die Verdrahtungsflexibilität erhöhen.
Grundsätzlich ist es denkbar, daß bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung der Metallblock eine Oberfläche mit einer Fläche aufweist, die größer ist als die des Verbindungsmaterials. 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 Wärmeabführungseigenschaften verbessert.
Aufgrund der Tatsache, daß bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung ein Spalt zwischen dem Metallblock und dem Halbleiterelement mit zunehmender Distanz von dem Zentrum des Halbleiterelements breiter wird, ist die Dicke des Verbindungsmaterials an der Peripherie 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:
1 ein Schaltbild zur Erläuterung der Halbleitervorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht, in der die Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt ist;
3 eine Schnittansicht zur Erläuterung der Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Schnittansicht zur Erläuterung eines Teils der Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in vergrößertem Maßstab;
5 eine Perspektivansicht einer Oberfläche eines Metallblocks 3, auf dem ein Leistungselement 1 angebracht wird;
6A und 6B Ansichten zur Erläuterung der Leitung von Wärme, die an dem Leistungselement 1 erzeugt wird;
7 und 8 Draufsichten zur Erläuterung von Modifikationen der Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
9 eine Schnittansicht, in der die Struktur einer Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Technik schematisch dargestellt ist.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
1 zeigt ein Schaltbild einer Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie in 1 gezeigt ist, besteht die Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zum Beispiel aus einer Dreiphasen-Wechselrichterschaltung. Genauer gesagt es können Ausgangsanschlüsse U, V und W an einen Wechselstrommotor angeschlossen sein.
Eingangsanschlüsse P und N können direkt mit einer Gleichstrom-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 miteinander verbindende Konstruktion wird als Arm oder Zweig bezeichnet.
Die Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel 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 Elektrodenanschluß 2b, einen Metallblock 3, ein isolierendes Substrat 4, Metallschichten 5, 7 sowie ein Keramiksubstrat 6 beinhalten, werden nachfolgend durch Bezugszeichen ohne p oder n an ihrem jeweiligen Ende bezeichnet, wenn eine Unterscheidung zwischen der P-Seite und der N-Seite nicht erforderlich ist.
2 zeigt eine Draufsicht, in der die Struktur der Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt ist, wobei diese Halbleitervorrichtung die in dem Schaltbild der 1 dargestellte Schaltungskonfiguration aufweist. 3 zeigt eine Schnittansicht entlang des Pfeils A-A in 2, in der die Struktur der Halbleitervorrichtung nach der Bildung einer Harzkapselung dargestellt ist.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, beinhaltet die Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Leistungselemente 1, Elektrodenanschlüsse 2a, 2b, 2c, die Metallblöcke 3, das isolierende Substrat 4 sowie eine Harzkapselung 11. Zur Unterstützung eines klaren Verständnisses der Struktur ist die Harzkapselung 11 in 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.
4 zeigt eine Schnittansicht eines Bereichs B der 3 in vergrößertem Maßstab. 5 zeigt eine Perspektivansicht der Oberfläche des Metallblocks 3, auf dem das Leistungselement 1 angebracht wird. Wie in 4 gezeigt ist, weist der IGBT 1a des Leistungselements 1 eine Hauptfläche zur Bildung einer Kollektorelektrode 50 sowie eine weitere Hauptfläche zur Bildung einer Gateelektrode 51 und einer Emitterelektrode 52 auf.
Der IGBT 1a ist auf dem Metallblock 3 durch ein Verbindungsmaterial 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 Verbindungsmaterial 9 besteht zum Beispiel aus Lötmaterial oder leitfähigem Harz.
Wie in den 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 zunehmender 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 Verbindungsmaterial 9 derart angebracht, daß die Kathodenelektrode mit dem Metallblock 3 in Berührung ist.
Die Oberfläche des Metallblocks 3, auf der die Diode 1b angebracht ist, weist eine derartige Formgebung auf, daß ein zwischen 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 ausgebildet 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 Isoliereinheit des Leistungselements 1 vorgesehen. Das heißt, die Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet Metallblöcke 3p, 3n sowie isolierende 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 Verbindungsmaterial 10 mit der Oberfläche des Metallblocks 3p verbunden. 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 entgegengesetzt ist, weist eine größere Erstreckung auf als die Verbindungsfläche mit dem Leistungselement 1. Das Verbindungsmaterial 10 besteht zum Beispiel aus Lötmaterial.
Der Elektrodenanschluß 2a wird an der Oberfläche des Metallblocks 3n, mit der das Leistungselement 1 verbunden ist, durch Ultraschallverbindung und dergleichen angebracht.
Aufgrund dieser Tatsache sind die mit dem Metallblock 3n verbundenen Elektroden des Leistungselements 1n, nämlich die Kollektorelektrode 50 des IGBT 1an sowie die Kathodenelektrode der Diode 1bn (nicht gezeigt), durch den Metallblock 3n mit dem Elektrodenanschluß 2a verbunden. Ein Elektrodenanschluß 2bp ist mit der Gateelektrode 51 des IGBT 1ap durch einen Aluminiumdraht 8 verbunden, und ein Elektrodenanschluß 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 in angebracht ist.
Die Harzkapselung 11 ist zum Beispiel aus einem Epoxy-Harz hergestellt und dient zum dichten Einschließen des Leistungselements 1, der Elektrodenanschlüsse 2a, 2b, 2c sowie des Metallblocks 3, während die Metallschicht 7 des isolierenden Substrats 4 freiliegend bleibt. Es ist in 3 zwar nicht dargestellt, jedoch kann eine externe Wärmeabführungseinrichtung an der freiliegenden Metallschicht 7 des isolierenden Substrats 4 vorgesehen sein.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit der vorstehend beschriebenen Struktur wird an dem Leistungselement 1 erzeugte Wärme durch das Verbindungsmaterial 9, den Metallblock 3 und das isolierende Substrat 4 hindurch von der externen Wärmeabführungseinrichtung (nicht gezeigt) nach außen abgeführt.
Die 6A und 6B zeigen Ansichten zur Erläuterung der Leitung der an dem Leistungselement 1 erzeugten Wärme. 6A zeigt dabei die Wärmeleitung bei der Halbleitervorrichtung des Standes der Technik, wie sie eingangs beschrieben wurde, und 6B zeigt die Wärmeleitung bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem 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 Metallblock 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 Leitfähigkeiten als der Metallblock 3 aufweisen, bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wie bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung des eingangs beschriebenen Standes der Technik ebenfalls das Haupthindernis für die Wärmeleitung.
Wie durch eine Wärmeabführungsrichtung 30 in 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 Wärmeleitung in der Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Technik handelt, bevor die Wärme durch die Basisplatte 13 hindurchfließt, die eine zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeit 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 bevorzugten Ausführungsbeispiel dagegen fließt die an dem Leistungselement 1 erzeugte Wärme durch das Verbindungsmaterial 9, das eines der Haupthindernisse für die Wärmeleitung darstellt, und sodann durch den Metallblock 3, der eine zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie dies durch eine Wärmeabführungsrichtung 31 in 6B dargestellt ist. Als nächstes 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 abgeführt, d. h. in einer zu der Richtung der Dicke des Metallblocks 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 bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Wärme zwar durch das Verbindungsmaterial 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 Standes der Technik lassen sich somit bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Wärmeabführungseigenschaften verbessern. Während die Struktur der Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Technik Aluminiumnitrid als Material für das Keramiksubstrat 6 erforderlich macht, um zufriedenstellende Wärmeabführungseigenschaften zu erzielen, können bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel Wärmeabführungseigenschaften, die denen der Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Technik ähnlich sind, unter Verwendung von Aluminiumoxid für das Keramiksubstrat 6, das kostengünstiger ist als Aluminiumnitrid, erzielt werden. Aus diesem Grund ist es möglich, einem Kunden eine Halbleitervorrichtung mit ausgezeichneter Wirtschaftlichkeit zur Verfügung zu stellen.
Wärmespannungen werden in dem Verbindungsmaterial 9 aufgrund einer Differenz bei den Linearausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metallblock 3 und dem Leistungselement 1 verursacht, so daß es zu Verzerrungen in dem Verbindungsmaterial 9 kommt. Mit zunehmender Distanz von dem Zentrum des Leistungselements 1 werden diese Wärmespannungen stärker.
Aus diesem Grund besteht die Wahrscheinlichkeit einer Rißbildung in dem Verbindungsmaterial 9 ausgehend von den vier Ecken des Leistungselements 1. Mit zunehmender Dicke des Verbindungsmaterials 9 wird ferner die Entstehung von Verzerrungen in dem Verbindungsmaterial 9 pro Dickeneinheit vermindert.
Da bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Dicke des Verbindungsmaterials 9 an der Peripherie des Leistungselements 1 größer ist als die Dicke desselben im Zentrum des Leistungselements 1, läßt sich das Ausmaß an Rißbildung vermindern.
Da der Metallblock 3 und das isolierende Substrat 4 pro Isoliereinheit des Leistungselements 1 vorgesehen sind, läßt sich die elektrische Isolierung innerhalb jedes Leistungselements 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 diesem Grund läßt sich die flache Ausbildung einer Kontaktfläche des isolierenden Substrats 4 mit der externen Wärmeabführungseinrichtung (nicht gezeigt) steigern, so daß wiederum die Wärmeabführungseigenschaften verbessert werden.
Außerdem wird das Leistungselement 1 bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Technik mittels des Gehäuses 27, der Abdeckung 28, des Silikongels 25 sowie des Epoxy-Harzes 26 dicht eingeschlossen. Dagegen wird das Leistungselement 1 bei der Halbleitervorrichtung gemäß dem be vorzugten Ausführungsbeispiel nur mittels der Harzkapselung 11 dicht eingeschlossen. Auf diese Weise wird eine Reduzierung der Materialkosten und der Herstellungskosten verwirklicht.
Bei der Leistungs-Halbleitervorrichtung des Standes der Technik 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 bevorzugten Ausführungsbeispiel fließt ein hoher Strom durch den Metallblock 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 größere Dicke aufweisen als die Metallschicht 5 und die Aluminiumdrähte 8 beim Stand der Technik, wird der elektrische Widerstand der Halbleitervorrichtung insgesamt vermindert. Der Energieverlust der Halbleitervorrichtung läßt sich somit reduzieren.
In 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 zwischen der Emitterelektrode 52 und der Kollektorelektrode 50 des auf dem Metallblock 3n angebrachten IGBT 1an herzustellen.
Da der Metallblock 3 pro Isoliereinheit des Leistungselements 1 vorgesehen ist, kann der Metallblock 3 somit zur Herstellung einer Verdrahtung der Aluminiumdrähte 8 verwendet werden. Die Verdrahtungsflexibilität der Aluminiumdrähte 8 wird somit gesteigert.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden der Metallblock 3 und der Elektrodenanschluß 2a separat vorgesehen und durch Ultraschallverbindung miteinander verbunden. Alternativ hierzu können der Metallblock 3 und der Elektrodenanschluß 2a aus einem Kupferstreifen mit unterschiedlicher Dicke in integraler Weise gebildet werden.
Ferner wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Verbindung zwischen dem Metallblock 3 und dem Elektrodenanschluß 2a durch Ultraschallverbindung hergestellt. Alternativ hierzu kann diese Verbindung durch Lötmaterial und leitfähiges Harzmaterial hergestellt werden. In weiter alternativer Weise kann sie auch mechanisch mittels Schrauben hergestellt werden.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Verbindungsmaterial 9 derart ausgebildet, daß es eine große Dicke an der Peripherie des auf dem Metallblock 3 angebrachten Leistungselements 1 aufweist, um die in dem Verbindungsmaterial 9 entstehenden Wärmespannungen zu vermindern.
Das Ausmaß der in dem Verbindungsmaterial 9 auftretenden Rißbildung läßt sich auch durch Verwendung von Molybdän, Kupfer-Molybdän-Legierung, Kupfer-Wolfram-Legierung, einem Verbundmaterial aus SiC und Aluminium und dergleichen für den Metallblock 3 vermindern, wobei diese jeweils eine relativ zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeit sowie einen niedrigen Linearausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Die 7 und 8 zeigen Draufsichten zur Erläuterung von Modifikationen der Halbleitervorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Wie in 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 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 verbunden.
Wie in 8 gezeigt ist, ist der Metallblock 3p derart vorgesehen, 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 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 Isoliereinheit 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 erstreckt, um eine Isoliereinheit derselben zu bilden, kann ferner eine Vielzahl isolierender Substrate 4 vorgesehen sein, deren jedes zumindest einem Leistungselement 5 entspricht.
Bei der Struktur des Standes der Technik sowie des bevorzugten 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 Wärmeabführungseinrichtung erzeugt.
Wenn ferner die externe Wärmabführeinrichtung bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel an einem Teil der aus einem Epoxy-Harz hergestellten Harzkapselung 11 sowie an dem isolierenden 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 Verschlechterung der Wärmeabführungseigenschaften ist, ist es wünschenswert, diesen Spalt mit Fett zu füllen, um bei der Struktur des Standes der Technik und dem bevorzugten Ausführungsbeispiel für eine Wärmeabführung zu sorgen.
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 Wärmeleitung darstellen.

1: Leistungselement
1a: IGBT
1b: Diode
2a, 2b, 2c: Elektrodenanschlüsse
3: Metallblöcke
4: isolierendes Substrat
5, 7: Metallschichten
6: Keramiksubstrat
8: Aluminiumdrähte
9, 10: Verbindungsmaterial
11: Harzkapselung
12: Verbindungsstreifen
13: Basisplatte
25: Silikongel
26: Epoxy-Harz
27: Gehäuse
28: Abdeckung
33: Fläche für Wärmeleitung
50: Kollektorelektrode
51: Gateelektrode
52: Emitterelektrode

Claims

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.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf den beiden Oberflächen des Keramiksubstrats (6) ausgebildeten Metallschichten (5, 7) identische Dicken aufweisen.
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) entsprechend mindestens einem der Vielzahl von Halbleiterelementen (1) vorgesehen sind; und daß ein weiterer Metallblock (3) und das Keramiksubstrat (6) sich über die Gesamtheit der Vielzahl von Halbleiterelementen (1) erstreckt, um die Isoliereinheit zu bilden.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 Verbindungsmaterials (9).
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spalt zwischen dem Metallblock (3) und dem Halbleiterelement (1) mit zunehmender Distanz von einem Zentrum des Halbleiterelements (1) breiter wird; und daß der Spalt mit dem Verbindungsmaterial (9) gefüllt ist.