DE10156769B4 - Leistungshalbleitereinrichtung mit einem äußeren Verbindungsanschluß zum Führen eines großen Stromes - Google Patents

Leistungshalbleitereinrichtung mit einem äußeren Verbindungsanschluß zum Führen eines großen Stromes Download PDF

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Abstract

Leistungshalbleitereinrichtung mit einem äußeren Verbindungsanschluß (1, 13) zum Herausführen von Elektroden von einem Leistungshalbleiterelement (7), das auf einer ersten Schaltkreisstruktur (5) angebracht ist, die auf einem Isoliersubstrat (2) im Inneren eines Gehäuses (9) ausgebildet ist,
wobei der äußere Verbindungsanschluß (1, 13) in dem Gehäuse (9) einsatzgeformt ist und an der Außenseite des Gehäuses (9) an einem Ende (1a, 13a) des Anschlusses (1, 13) freiliegt,
während der Anschluß (1, 13) an seinem anderen Ende einen Verbindungsbereich (1b, 13b) aufweist, der eine Verbindungsfläche hat, die unmittelbar mit einer zweiten Schaltkreisstruktur (4, 6) verbunden ist, die auf dem Isoliersubstrat (2) oder einem weiteren Isoliersubstrat (3) angebracht ist, und die getrennt ist von der ersten Schaltkreisstruktur (5), auf der das Leistungshalbleiterelement (7) angebracht ist, wobei der äußere Verbindungsanschluß (1, 13) mit dem Leistungshalbleiterelement (7) durch einen Draht (11, 12) verbunden ist, der mit der der Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs des Anschlusses (1,...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitereinrichtung.
  • In letzter Zeit wird eine Leistungshalbleitereinrichtung zum Steuern und Umwandeln einer Hochspannung und eines großen Stroms auf dem Gebiet der Leistungselektronik, einschließlich Energieeinrichtungen, Transporteinrichtungen und elektrischen Haushaltsgeräten, in großem Umfang verwendet, und es ist erforderlich, die Leistungsfähigkeit der Einrichtung weiter zu verbessern und ihre Größe weiter zu verringern. Deshalb wird konstruktiv geforscht und entwickelt, um die obengenannten Erfordernisse zu erfüllen.
  • Die 7 und 8 sind eine Draufsicht bzw. Schnittansicht und zeigen den inneren Aufbau einer herkömmlichen Leistungshalbleitereinrichtung. Bei der Leistungshalbleitereinrichtung 40 ist eine Vielzahl von Schaltkreisstrukturen 43, 44 und 45 auf den oberen Oberflächen von Isoliersubstraten 41 und 42 ausgebildet; außerdem ist eine Vielzahl von Leistungshalbleitereinrichtungen 46 auf der oberen Oberfläche der Schaltkreisstruktur 44 angebracht. Drähte 47 und 48 sind zwischen die Elektrode jedes Halbleiterelements 46 und die Schaltkreisstruktur 43 sowie zwischen die Schaltkreisstrukturen 44 und 45 geschaltet.
  • Die Leistungshalbleitereinrichtung 40 hat ferner Elektrodenanschlüsse 50 und 51, die in einem Gehäuse 49 als äußere Verbindungsanschlüsse einsatzgeformt sind; diese Anschlüsse 50 und 51 sind durch Drähte 52 bzw. 53 mit den Schaltkreisstrukturen 43 bzw. 45 entsprechend verbunden.
  • Wie 8 zeigt, ist das untere Ende des Gehäuses 49 durch Bonden mit dem Umfang einer Metallbasis 54 verbunden, auf deren oberer Oberfläche die Isoliersubstrate 41 und 42 vorgesehen sind. Harz ist in das Gehäuse 49 eingespritzt, was allerdings nicht gezeigt ist, um jede Komponente in dem Gehäuse 49 dicht abzuschließen. Bei der Leistungshalbleitereinrichtung 40 wird der an den Elektrodenanschluß 50 angelegte Strom dem Halbleiterelement 46 über den Draht 52, die Schaltkreisstruktur 43 auf dem Isoliersubstrat 41 und den Draht 47 unter Steuerung durch das Halbleiterelement 46 zugeführt und dann ferner dem Elektrodenanschluß 51 über die Schaltkreisstruktur 44, den Draht 48, die Schaltkreisstruktur 45 und den Draht 53 zugeführt.
  • Bei der Zuführung eines großen Stroms zu den Schaltkreisstrukturen 43 und 45, die auf den Isoliersubstraten 41 und 42 der herkömmlichen Leistungshalbleitereinrichtung 40 der obengenannten Konstruktion ausgebildet sind, entstehen jedoch insofern Probleme, als es erforderlich ist, die Breite der Schaltkreisstrukturen 43 und 45 zu vergrößern, wodurch die Einrichtung breiter wird. Da die Bonddrähte 52 und 53 zwischen den Elektrodenanschluß 50 und die Schaltkreisstruktur 43 bzw. zwischen den Elektrodenanschluß 51 und die Schaltkreisstruktur 45 geschaltet sind, entstehen außerdem insofern Probleme, als viele Drähte erforderlich sind und der Zeitaufwand, der zum Drahtbonden benötigt wird, damit ein großer Strom zwischen sie zugeführt wird, größer wird.
  • Die DE 43 30 070 A1 zeigt ein Halbleitermodul mit einer Vielzahl von Halbleiterchips, Kühlplatten zum Tragen der Halbleiterchips und eine Isolierplatte. Eine Stromzufuhr wird über diverse Elektrodenanschlüsse realisiert.
  • Aus der US 5 559 374 A ist eine integrierte Schaltung bekannt, die aus Kupfer-Platten bestehende Stromanschlüsse mit jeweils vorstehenden Teilen aufweist. Platten und vorstehende Teile stehen senkrecht aufeinander. Die vorstehenden Teile sind innerhalb zweier verschiedener Schichten eingegossen. Dadurch wird die Herstellung des Bauteils erschwert. Aufgrund der vorstehenden Teile ist das Bauteil nicht kompakt ausgebildet und damit schwer zu handhaben.
  • Die DE 199 14 741 A1 zeigt ein Leistungshalbleitermodul, das mehrere externe Laststromanschlußelemente aufweist. Diese sind über Führungselemente mit einem Gehäuse verbunden. Die Laststromanschlußelemente weisen einen aus dem Modul hervorste henden Bereich und einen in dem Modul, senkrecht zu dem hervorstehenden Bereich angeordneten Bereich auf. Das Ausbilden von Führungselementen erschwert die Herstellung des Moduls. Aufgrund der vorstehenden Teile ist das Bauteil nicht kompakt ausgebildet und damit schwer zu handhaben. Die Anschlußelemente liegen locker auf einem Rahmen bzw. einer Metallisierung auf, so dass das Modul nicht für eine große Stromlast ausgelegt ist.
    •
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Leistungshalbleitereinrichtung bereitzustellen, der ein großer Strom zugeführt werden kann und die kompakt und einfacher herstellbar ist.
  • Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine Leistungshalbleitereinrichtung mit einem äußeren Verbindungsanschluß zum Herausführen von Elektroden von einem Leistungshalbleiterelement bereitgestellt, das auf einer ersten Schaltkreisstruktur angebracht ist, die auf einem Isoliersubstrat im Inneren eines Gehäuses ausgebildet ist. Der äußere Verbindungsanschluß ist in dem Gehäuse einsatzgeformt und liegt an der Außenseite des Gehäuses an einem Ende des Anschlusses frei. Der Anschluß weist an seinem anderen Ende einen Verbindungsbereich auf, der eine Verbindungsfläche hat, die unmittelbar mit einer zweiten Schaltkreisstruktur verbunden ist, die auf dem Isoliersubstrat oder einem weiteren Isoliersubstrat angebracht ist, und die getrennt ist von der ersten Schaltkreisstruktur, auf der das Leistungshalbleiterelement angebracht ist. Der äußere Verbindungsanschluß ist mit dem Leistungshalbleiterelement durch einen Draht verbunden, der mit der der Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs des Anschlusses gegenüberliegenden Fläche durch Bonden verbunden ist.
  • Ferner kann der äußere Verbindungsanschluß mit der Schaltkreisstruktur diskontinuierlich verbunden sein. Außerdem können der äußere Verbindungsanschluß und die Schaltkreisstruktur durch ein leitfähiges Material an einem Teil der Verbindungsfläche zwischen ihnen verbunden und an verbleibenden Teilen der Verbindungsfläche voneinander isoliert sein.
  • Ferner kann die Verbindungsfläche eine Größe haben, die kleiner als die Oberfläche der Schaltkreisstruktur ist, mit der die Verbindungsfläche verbunden ist. Außerdem kann die Verbindungsfläche eine Größe haben, die größer als die Oberfläche der Schaltkreisstruktur ist, mit der die Verbindungsfläche verbunden ist.
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
  • 1 eine Draufsicht auf einen inneren Aufbau einer Leistungshalbleitereinrichtung der ersten Ausführungsform;
  • 2 eine Schnittansicht des inneren Aufbaus der Leistungshalbleitereinrichtung von 1;
  • 3 eine vergrößerte Perspektivansicht eines äußeren Verbindungsanschlusses der Leistungshalbleitereinrichtung von 1;
  • 4 eine vergrößerte Schnittansicht eines Verbindungsaufbaus eines äußeren Verbindungsanschlusses einer Leistungshalbleitereinrichtung der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 eine vergrößerte Schnittansicht eines Verbindungsaufbaus eines äußeren Verbindungsanschlusses einer Leistungshalbleitereinrichtung der dritten Ausführungsform;
  • 6 eine Draufsicht auf einen inneren Aufbau einer Leistungshalbleitereinrichtung der vierten Ausführungsform;
  • 7 eine Draufsicht auf einen inneren Aufbau einer herkömmlichen Leistungshalbleitereinrichtung; und
  • 8 eine Schnittansicht des inneren Aufbaus der herkömmlichen Leistungshalbleitereinrichtung von 7.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die 1 und 2 sind eine Draufsicht und eine Schnittansicht des inneren Aufbaus der Leistungshalbleitereinrichtung der ersten Ausführungsform. Die Leistungshalbleitereinrichtung 10 hat einen Aufbau, bei dem ein Leistungshalbleiterelement 7 und seine umfangsmäßigen Elektrodenverdrahtungen auf einer Metallbasis 8 ausgebildet und von einem Gehäuse 1 eingeschlossen sind und Komponenten in dem Gehäuse 1 mit Harz hermetisch abgedichtet sind. In dem Außengehäuse 9 sind ein erstes und ein zweites Isoliersubstrat 2 und 3 auf der Metallbasis 8 vorgesehen, und eine zweite Schaltkreisstruktur 4 und eine erste Schaltkreisstruktur 5 sind auf dem ersten Isoliersubstrat 2 ausgebildet, während eine weitere zweite Schaltkreisstruktur 6 auf dem zweiten Isoliersubstrat 3 ausgebildet ist. Eine Vielzahl von Leistungshalbleiterelementen 7 (drei Elemente bei dieser Ausführungsform) ist auf der ersten Schaltkreisstruktur 5 angebracht.
  • Bei der ersten Ausführungsform sind ein erster und ein zweiter äußerer Verbindungsanschluß 1 und 13 in dem Gehäuse 9 einsatzgeformt und liegen an ihren einen Enden an der Gehäuseaußenseite frei, wogegen sie an ihren anderen Enden mit einer Schaltkreisstruktur verbunden sind, die von der ersten Schaltkreisstruktur 5, auf der das Leistungshalbleiterelement 7 angebracht ist, verschieden ist. Dabei ist der erste äußere Verbindungsanschluß 1 durch ein leitfähiges Verbindungsmaterial 14 mit der zweiten Schaltkreisstruktur 4 verbunden, und der zweite äußere Verbindungsanschluß 13 ist durch ein leitfähiges Verbindungsmaterial 16 mit der weiteren zweiten Schaltkreisstruktur 6 verbunden. In den 1 und 2 sind der äußere freiliegende Bereich, d.h. das eine Ende des Anschlusses 1, und der Verbindungsbereich des ersten äußeren Verbindungsanschlusses 1 mit 1a bzw. 1b bezeichnet, und der freiliegende Bereich, d.h. das eine Ende des Anschlusses 13, und der Verbindungsbereich des zweiten äußeren Verbindungsanschlusses 13 sind mit 13a bzw. 13b bezeichnet.
  • Wie 2 zeigt, sind der erste und der zweite äußere Verbindungsanschluß 1 und 13 stufenförmig als Ganzes ausgebildet, und diese freiliegenden Bereiche 1a und 13a und die Verbindungsbereiche 1b und 13b sind an dem Gehäuse 9 so festgelegt, daß sie sich parallel zu der Metallbasis 8 erstrecken. Außerdem ist eine Vielzahl von Drähten 11 durch Bonden mit der der Verbindungsfläche des Anschlusses 1 gegenüberliegenden Oberfläche (d. h. der oberen Oberfläche) verbunden, und der Anschluß 1 ist durch diese Drähte 11 mit dem Leistungshalbleiterelement 7 verbunden. Ferner ist eine Vielzahl von Drähten 12 durch Bonden mit der der Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs 13b des zweiten äußeren Verbindungsanschlusses 13 gegenüberliegenden Oberfläche (d. h. der oberen Oberfläche) verbunden, und der Anschluß 13 ist durch diese Drähte 12 mit der ersten Schaltkreisstruktur 5 verbunden.
  • Bei der Leistungshalbleitereinrichtung 10 der obengenannten Konfiguration fließt der an den freiliegenden Bereich 1a des äußeren Verbindungsanschlusses 1 angelegte Strom durch den Verbindungsbereich 1b des Anschlusses 1 und wird der zweiten Schaltkreisstruktur 4 zugeführt, die mit dem Verbindungsbereich 1b verbunden ist. Der Strom wird ferner durch die Drähte 11 zu dem Leistungshalbleiterelement 7, das auf der ersten Schaltkreisstruktur 5 angebracht ist, geführt und von dem Halbleiterelement 7 stromgesteuert und dann über die erste Schaltkreisstruktur 5 und die Drähte 12 dem Elektrodenanschluß 13 zugeführt.
  • Ferner hat bei der ersten Ausführungsform die Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs 1b des ersten äußeren Verbindungsanschlusses 1 eine Größe, die kleiner als die Oberfläche der zweiten Schaltkreisstruktur 4 ist. In diesem Fall ist es möglich, die durch die Differenz der Wärmeausdehnung zwischen der zweiten Schaltkreisstruktur 4 und dem Verbindungsbereich 1b des äußeren Verbindungsanschlusses 1 verursachte Beanspruchung zu mäßigen. Deshalb ist es möglich, die Zuverlässigkeit der Einrichtung 10 zu verbessern.
  • 3 ist eine vergrößerte Perspektivansicht des ersten äußeren Verbindungsanschlusses 1 der Leistungshalbleitereinrichtung 10. Wie 3 zeigt, sind die Drähte 11 zum Verbinden der Leistungshalbleiterelemente 7 mit dem äußeren Verbindungsanschluß 1 durch Bonden mit dem äußeren Verbindungsanschluß 1 innerhalb eines Bereichs verbunden, in dem die Drähte 11 mit der zweiten Schaltkreisstruktur 4 verbunden sind, d. h. an dem Verbindungsbereich 1b. In diesem Fall wird eine Bewegung an dem Verbindungsbereich 1b des ersten äußeren Verbindungsanschlusses 1 verhindert, wodurch die Bondfestigkeit der Drähte 11 verbessert werden kann. Da der Verbindungsbereich 1b horizontal ist, ist es in diesem Fall außerdem möglich, Schwankungen der Bondfestigkeit beim Bondvorgang zu verringern.
  • Wie oben beschrieben, ist es durch direkte Verbindung des ersten und des zweiten äußeren Verbindungsanschlusses 1 und 13, die in dem Gehäuse 9 einsatzgeformt sind, mit der zweiten und der weiteren zweiten Schaltkreisstruktur 4 und 6, die auf dem ersten und dem zweiten Isoliersubstrat 2 und 3 in dem Gehäuse 9 ausgebildet sind, möglich, auf einfache Weise eine Struktur herzustellen, der ohne Bonden vieler Drähte ein großer Strom zugeführt werden kann. Da keine Drähte durch Bonden mit der zweiten und der weiteren zweiten Schaltkreisstruktur 4 und 6 zu verbinden sind, ist es in diesem Fall außerdem möglich, die planaren Dimensionen der Schaltkreisstrukturen 4 und 6 auf kleine Werte einzustellen. Deshalb ist es möglich, eine kompakte Leistungshalbleitereinrichtung 10 mit einer großen Strombelastbarkeit bereitzustellen.
  • Da der erste und der zweite äußere Verbindungsanschluß 1 und 13 mit der zweiten und der weiteren zweiten Schaltkreisstruktur verbunden sind, ist es außerdem unnötig, Verbindungsstrukturen für die äußeren Verbindungsanschlüsse 1 und 13 auf den Isoliersubstraten 2 und 3 auszubilden, und Größe und Kosten der Einrichtung 10 können verringert werden.
  • Im folgenden wird eine andere Ausführungsform beschrieben. In der nachstehenden Beschreibung sind die gleichen Komponenten wie bei der ersten Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals erläutert.
  • ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
  • 4 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines ersten äußeren Verbindungsanschlusses 1 der Leistungshalbleitereinrichtung 10 der zweiten Ausführungsform. Bei der zweiten Ausführungsform ist der erste äußere Verbindungsanschluß 1 mit einer zweiten Schaltkreisstruktur 4 durch ein diskontinuierliches leitfähiges Verbindungsmaterial 21 an dem Verbindungsbereich 1b des Anschlusses 1 verbunden. Dadurch wird die Verbindung des äußeren Verbindungsanschlusses 1 mit der Schaltkreisstruktur 4 diskontinuierlich, und es ist möglich, die durch die Differenz der Wärmeausdehnung zwischen der Schaltkreisstruktur 4 und dem ersten äußeren Verbindungsanschluß 1 verursachte Beanspruchung zu mäßigen. Es ist also möglich, die Zuverlässigkeit der Einrichtung zu verbessern.
  • Es ist zu beachten, daß hier nur der erste äußere Verbindungsanschluß 1 beschrieben ist, daß dieses Merkmal jedoch auch auf die Verbindungsstruktur eines zweiten äußeren Verbindungsanschlusses 13 anwendbar ist.
  • DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
  • 5 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Verbindungsaufbaus eines äußeren Verbindungsanschlusses der Leistungshalbleitereinrichtung der dritten Ausführungsform. Bei der dritten Ausführungsform sind der erste äußere Verbindungsanschluß 1 und die zweite Schaltkreisstruktur 4 durch ein Isoliermaterial 31 an einem Teil der Verbindungsfläche zwischen ihnen verbunden und durch ein leitfähiges Material 21 an verbleibenden Teilen der Verbindungsfläche verbunden. Durch Begrenzung des elektrischen Verbindungsbereichs zwischen der Schaltkreisstruktur 4 und dem äußeren Verbindungsanschluß 1 ist es also möglich, eine Spannung an der Schaltkreisstruktur 4 unabhängig von dem durch den äußeren Verbindungsanschluß 1 fließenden Strom auf einfache Weise zu detektieren.
  • Es ist zu beachten, daß in der obigen Beschreibung der elektrische Verbindungsbereich zwischen der Schaltkreisstruktur 4 und dem äußeren Verbindungsanschluß 1 durch Verwendung des Isoliermaterials 31 begrenzt ist; die Verwendung einer Luftisolierung anstelle des Isoliermaterials 31 ist jedoch ebenfalls zulässig. Ferner ist in der obigen Beschreibung nur der erste äußere Verbindungsanschluß 1 beschrieben; dieses Merkmal ist jedoch auch auf die Verbindungsstruktur eines zweiten äußeren Verbindungsanschlusses 13 anwendbar.
  • VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
  • 6 ist eine Draufsicht, die den inneren Aufbau der Leistungshalbleitereinrichtung der vierten Ausführungsform zeigt. Bei der vierten Ausführungsform hat eine Verbindungsfläche eines Verbindungsbereichs 35b eine Größe, die größer als die Oberfläche einer Schaltkreisstruktur 34 ist. In diesem Fall ist es möglich, an den äußeren Verbindungsanschluß 35 einen größeren Strom anzulegen.

Claims (5)

  1. Leistungshalbleitereinrichtung mit einem äußeren Verbindungsanschluß (1, 13) zum Herausführen von Elektroden von einem Leistungshalbleiterelement (7), das auf einer ersten Schaltkreisstruktur (5) angebracht ist, die auf einem Isoliersubstrat (2) im Inneren eines Gehäuses (9) ausgebildet ist, wobei der äußere Verbindungsanschluß (1, 13) in dem Gehäuse (9) einsatzgeformt ist und an der Außenseite des Gehäuses (9) an einem Ende (1a, 13a) des Anschlusses (1, 13) freiliegt, während der Anschluß (1, 13) an seinem anderen Ende einen Verbindungsbereich (1b, 13b) aufweist, der eine Verbindungsfläche hat, die unmittelbar mit einer zweiten Schaltkreisstruktur (4, 6) verbunden ist, die auf dem Isoliersubstrat (2) oder einem weiteren Isoliersubstrat (3) angebracht ist, und die getrennt ist von der ersten Schaltkreisstruktur (5), auf der das Leistungshalbleiterelement (7) angebracht ist, wobei der äußere Verbindungsanschluß (1, 13) mit dem Leistungshalbleiterelement (7) durch einen Draht (11, 12) verbunden ist, der mit der der Verbindungsfläche des Verbindungsbereichs des Anschlusses (1, 13) gegenüberliegenden Fläche durch Bonden verbunden ist.
  2. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Verbindungsanschluß (1, 13) mit der zweiten Schaltkreisstruktur (4, 6) diskontinuierlich verbunden ist.
  3. Leistungshalbleitereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Verbindungsanschluß (1, 13) und die zweite Schaltkreisstruktur (4, 6) durch ein leitfähiges Material (21) an einem Teil der Verbindungsfläche zwischen ihnen verbunden und an verbleibenden Teilen der Verbindungsfläche voneinander isoliert sind.
  4. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsfläche eine Größe hat, die kleiner als die Oberfläche der zweiten Schaltkreisstruktur (4, 6) ist.
  5. Leistungshalbleitereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsfläche eine Größe hat, die größer als die Oberfläche der zweiten Schaltkreisstruktur (4, 6) ist.
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