DE102004060935B4 - Leistungshalbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleitervorrichtung mit: einem Schalt-Leistungshalbleiterelement (6); einer zu dem Schalt-Leistungshalbleiterelement (6) antiparallel geschalteten Freilaufdiode (8); einem ersten Substrat (24), wobei auf einer Hauptoberfläche von diesem eine rückseitige Elektrode des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und eine rückseitige Elektrode der Freilaufdiode (8) mit ihm verbunden und angebracht sind; einem einer Oberflächenelektrode des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und einer Oberflächenelektrode der Freilaufdiode (8) gegenüberliegenden zweiten Substrat (26); und verbindenden Leitern (22), die derart gebildet sind, dass sie das zweite Substrat (26) mit den Oberflächenelektroden des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und von der Freilaufdiode (8) verbinden, wobei die verbindenden Leiter (22) durch Lot mit den Oberflächenelektroden des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und von der Freilaufdiode (8) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede der berührenden Oberflächen der verbindenden Leiter (22) eine gekrümmte Oberfläche aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungshalbleitervorrichtung.
  • Eine Leistungshalbleitervorrichtung ist in 13 gezeigt.
  • Auf der metallischen Grundplatte 2 ist ein isolierendes Substrat 4 aus Keramik angeordnet, das auf beiden Seiten aufmetallisierte Schaltungsmuster aufweist, und auf dem isolierenden Substrat 4 sind ein Schalt-Leistungshalbleiterelement 6, wie z. B. ein IGBT, MOSFET oder ähnliches und eine Freilaufdiode 8 angebracht. Das Schalt-Leistungshalbleiterelement 6 und die Freilaufdiode 8 sind mit einem Gehäuse 18 mit darin eingebauten externen Anschlussen (ein Einsatzgehause) durch die externen Anschlusse verbunden. Das Schalt-Leistungshalbleiterelement 6, wie z. B. ein IGBT, ist derart angeordnet, dass dessen obere Seite (Oberflache) als eine Emitterfläche dient und dessen untere Seite (Rückseite) als eine Kollektorfläche. Die Freilaufdiode 8 ist derart angeordnet, dass deren obere Seite (Oberflache) als eine Anodenflache dient und deren untere Seite (Ruckseite) als eine Kathodenflache. Die Schaltung als Ganzes weist ein auf dem isolierenden Substrat 4 gebildetes Muster und Drahte 20 auf und ist mit dem Gehäuse 18 verbunden. Ein Gel (oder ein Harz, oder ein Gel und ein Harz) 36 ist in das Gehause 18 eingefugt, um das Element und die Schaltung zu schutzen, und das Gehäuse 18 ist mit einem Deckel bedeckt.
  • Bei dieser Leistungshalbleitervorrichtung ist die Verbindung der Emitterflache des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 durch die Drähte 20 gebildet und dieses Verbindungsverfahren ergibt die folgenden Probleme.
  • Zuerst gibt es eine Grenze in der Strombelastbarkeit, da der Draht 20 dünn ist. In praktischer Verwendung wird eine erforderte Strombelastbarkeit für eine Hauptschaltung durch Verwenden dickerer Drähte oder Erhöhen der Anzahl von Drähten 20 sichergestellt. Dieses Verfahren erfordert jedoch Raume für Drahtverbindung und weist deshalb eine Grenze bei der Miniaturisierung der Elemente und der Vorrichtung auf. Zweitens wird der Schaltungswiderstand wegen der Verwendung der dünnen Drähte 20 größer. Während dieses Problem auch durch Verwenden dickerer Drahte oder Erhöhen der Anzahl der Drähten 20 gelöst werden kann, gibt es die oben genannten Grenzen. Drittens wird Hitze lokal angesammelt, da ein Strom auf den Verbindungen der Drähte auf dem Schalt-Leistungshalbleiterelement 6 konzentriert ist. Obwohl die Konzentration von Hitze durch Dezentralisieren der Verbindungen der Drähte auf dem Element reduziert wird, wird Hitze nicht vollstandig dezentralisiert. Viertens kann das Gate oszillieren, wenn in der Halbleitervorrichtung ein Kurzschluss auftritt. Bei der Leistungshalbleitervorrichtung ist ein Draht 20 mit jeder der Emitterzellen des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 verbunden und die Zellen sind miteinander durch das auf dem isolierenden Substrat 4 gebildete Muster, mit dem die Drähte 20 verbunden sind, verbunden. Solch eine Verbindung verursacht eine Unausgewogenheit zwischen den jeweiligen Zellen und folglich oszilliert das Gate, wenn ein Kurzschluss in der Halbleitervorrichtung auftritt. Als Ergebnis kann die Vorrichtung zerstört sein oder Fehlfunktion verursachen. Es kann moglich sein, dieses Problem durch direkte Stichverbindung jeder der Zellen durch die Drahte zu losen. Die Anzahl von Vorgangen für die Drahtverbindung ist jedoch erhöht und die Fläche der Vorrichtung für solche Drahtverbindung ist ebenfalls erhöht. Als Ergebnis verbleiben dort immer noch ähnliche Grenzen wie bei dem ersten Problem. Fünftens werden Räume für das Verbinden der Drähte benötigt.
  • Das Vorhergehende sind Hauptprobleme in Bezug auf die Drähte 20. Es gibt weitere Probleme bezüglich Wärmeabstrahlung. Bei der Halbleitervorrichtung wird Wärmeabstrahlung durch Aufbringen von Fett auf die Rückseite der Grundplatte und Aufschrauben von Wärmeabstrahlungslamellen durchgeführt. In diesem Fall wird nur eine Seite der Vorrichtung für Wärmeabstrahlung verwendet.
  • Die JP-A-10-56131 offenbart eine Technik, bei der Verbindung der Hauptelektroden bei einem IGBT-Modul mit Schaltungsmustern auf dessen oberer und unterer Seite durch eine Mehrzahl von Höckern gebildet ist. Die JP-A-8-8395 offenbart eine Technik, bei der ein zu dem verbindenden Leiter analoges Element verwendet wird. Die JP-A-10-233509 beschreibt ein Beispiel einer Vorrichtung mit einer Mehrzahl von darin bereitgestellten Höckern. Die JP-A-6-302734 offenbart eine Technik, bei der zwei Substrate miteinander durch eine Feder verbunden sind. Die JP-A-8-17972 offenbart eine Technik zum Einbetten von Polen und Metallkugeln in Höckern zur Verwendung bei der Verbindung einer Baugruppenhauptplatte. Die JP-A-2002-16215 und JP-A-2002-76254 offenbaren IPM, die jeweils zwei Anschlussrahmen verwenden, d. h. einen oberen und einen unteren Anschlussrahmen.
  • US 6,072,240 A offenbart eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Leistungshalbleitervorrichtung enthält mehrere IGBT-Chips, bei denen jeweils eine Kollektor-Elektrode auf einer Hauptoberfläche und eine Emitter-Elektrode und eine Gate-Elektrode auf der anderen Hauptfläche gebildet sind, und zwei isolierende Substrate hoher Wärmeleitfähigkeit, zwischen denen diese IGBT-Chips eingebettet sind und auf deren Oberflächen Elektrodenmuster zum Verbinden mit den Elektroden des IGBT Chips angeordnet sind. Die Elektroden der IGBT-Chips und die Elektrodenmuster der isolierenden Substrate hoher Wärmeleitfähigkeit sind durch Löten miteinander verbunden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungshalbleitervorrichtung bereitzustellen, die wie folgt verbessert ist: die Strombelastbarkeit der Hauptschaltung ist verbessert und der Schaltungswiderstand ist verringert; Hitze kann auf dem Element dezentralisiert werden; und die Oszillation des Gates aufgrund der Unausgewogenheit von Emitterzellen kann verhindert werden.
  • Die Aufgabe wird durch eine Leistungs-Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Strombelastbarkeit der Hauptschaltung stark verbessert werden und der Schaltungswiderstand kann herabgesetzt werden. Zusätzlich kann Hitze auf dem Element dezentralisiert werden, die Oszillation des Gates aufgrund der Unausgewogenheit der Emitterzellen ist effektiv verhindert und die Miniaturisierung der Vorrichtung wird möglich. Ferner wird auch Wärmeabstrahlung von der oberen Seite und der unteren Seite der Leistungshalbleitervorrichtung möglich.
  • Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Leistungshalbleitervorrichtung gemäß Anspruch 2 gelöst.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteranspruchen gekennzeichnet.
  • Weitere Merkmale und Zweckmaßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Von den Figuren zeigen:
  • 1 eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der ersten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der zweiten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der fünften Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 6 ein Diagramm, das das Einbringen eines gelartigen isolierenden und hitzeresistenten Fullstoffes zwischen das erste Substrat und das zweite Substrat illustriert;
  • 7 eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der sechsten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 8 eine weitere Leistungshalbleitervorrichtung nach der sechsten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 9 eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der siebten Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 10 eine weitere Leistungshalbleitervorrichtung nach der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 11 eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 12 eine weitere Leistungshalbleitervorrichtung nach der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 13 eine Leistungshalbleitervorrichtung.
  • Im weiteren werden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung illustriert.
  • Ausfuhrungsform 1
  • 1, die aus den 1(1) bis 1(3) besteht, zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. 1(1) zeigt eine Draufsicht von oben eines im weiteren beschriebenen ersten Substrats; 1(2) eine Unteransicht eines im weiteren beschriebenen zweiten Substrats und 1(3) eine longitudinale Schnittansicht der Leistungshalbleitervorrichtung. Bei dieser Leistungshalbleitervorrichtung sind ein Schalt-Leistungshalbleiterelement 6 und eine Freilaufdiode 8 auf dem ersten Substrat 24 angebracht. Die Emitterflache des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 und die Anodenfläche der Freilaufdiode 8 sind mit dem zweiten Substrat 26, das ein isolierendes Substrat mit einem darauf ausgebildeten Schaltungsmuster ist, durch verbindende Leiter 22 (in der Zeichnung als Kugeln zu sehen) verbunden. Hierbei ist das Schalt-Leistungshalbleiterelement 6 ein Halbleiterelement wie z. B. ein IGBT, ein MOSFET oder ähnliches.
  • Wie in 1(3) gezeigt ist, ist ein Kühlkörper 32 als ein Wärmeabstrahlabschnitt mit der Unterseite des ersten Substrats 24 verbunden. Der Kühlkörper 32 kann auch mit der oberen Seite des zweiten Substrats verbunden sein. In dem Fall, bei dem wegen des direkten Aussetzens des isolierenden Substrats zu einem Äußeren, wie in 1(3) gezeigt ist, ein Problem in der Festigkeit auftritt, ist eine Grundplatte auf der Unterseite der Vorrichtung bereitgestellt oder ein Teil der Vorrichtung ist beschichtet oder mit einem Gehäuse bedeckt.
  • Die verbindenden Leiter 22 und die Komponenten der Vorrichtung konnen durch Löten, Ultraschallverbinden oder Druckverschweißen verbunden sein. Bei der Ausführungsform 1 sind all die Komponenten auf dem ersten Substrat 24 angebracht. Dies ist vorteilhaft, weil Schwierigkeiten bei der Herstellung vermieden werden können, so dass die Produktivität verbessert ist. Den verbindenden Leitern 22 ist ermöglicht, dass sie nachdem die Vorrichtung zusammengesetzt ist, Flexibilität aufweisen, so dass an den verbindenden Leitern 22 anliegende Spannungen absorbiert werden können.
  • Ein gelartiger, isolierender und hitzebeständiger Fullstoff 36 (zum leichten Erkennen der Zeichnung nicht schraffiert) ist zwischen dem ersten Substrat 24 und dem zweiten Substrat 26 eingefügt. Wie in 6 gezeigt ist, sind die drei Seiten des Raums zwischen dem ersten Substrat 24 und dem zweiten Substrat 26 mit einem Klebstoff oder einem Unterteilbauteil 34 versiegelt, so dass der Fullstoff 36 von einer zum Verbleiben ubrig gelassenen Öffnung eingefüllt werden kann. Der Füllstoff kann eine Spritze oder ahnliches verwendend von den Grundflachen der Seiten aber nicht der Offnung eingefügt werden.
  • Ausführungsform 1 stellt die folgenden Vorteile bereit. Generell ist die Strombelastbarkeit eines leitenden Materials proportional zu dessen Querschnittsfläche und dessen elektrischer Widerstand ist invers proportional zu dessen Querschnittsfläche. Um die Strombelastbarkeit einer Schaltung zu erhöhen und deren elektrischen Widerstand herabzusetzen, sollte die Querschnittsflache des leitenden Materials erhöht werden. Die Fläche der Emitterfläche ist jedoch bei dem Halbleiterelement der Leistungshalbleitervorrichtung begrenzt und folglich kann die Querschnittsfläche all der Drähte (= die Querschnittsfläche eine Drahtes × der Anzahl von Drähten) nicht unbeschränkt erhoht werden. Zusätzlich erfordert eine solche Drahtverbindung unvermeidbar Todräume zum Ermöglichen von Verbindungsvorgängen. Unter diesem Gesichtspunkt verzichtet die Verwendung der verbindenden Leiter 22 wie in Ausführungsform 1 auf solche Todräume. In dieser Hinsicht wurde die Verbindung durch Drähte unter der Voraussetzung mit der Verbindung durch verbindende Leiter verglichen, dass die Drähte und die verbindenden Leiter aus demselben Material bestehen. Dann wird gefunden, dass der letztere Fall eine im wesentlichen zwei- oder mehrfach größere Querschnittsfläche als die des ersteren Falles aufweisen kann.
  • Das erste Substrat 24 und das zweite Substrat 26, die einander gegenuberliegen, sind miteinander mit einem relativ kurzen Abstand dazwischen verbunden und deshalb werden der elektrische und der thermische Widerstand in Ubereinstimmung mit dem Abstand kleiner. Wie stark dieser Abstand herabgesetzt werden kann, hängt von dem Maß der Notwendigkeit einer Isolierung zwischen den zwei Substraten ab. Bei dieser Ausfuhrungsform wird erwagt, dass dieser Abstand wegen des Einfügens des isolierenden Fullstoffes bei einer Nennspannung von etwa 3,3 V auf bis zu etwa 2 mm herabgesetzt werden kann.
  • Zur Bequemlichkeit der Verarbeitung sind die Drahte ublicherweise aus Aluminium (Al) gebildet. Andererseits können die in der ersten Ausführungsform verwendeten verbindenden Leiter 22 ohne Berucksichtigen solcher Verarbeitungsbequemlichkeit gebildet werden und folglich konnen sie aus Kupfer (Cu) gebildet sein, was eine höhere elektrische und eine höhere Wärme-Leitfähigkeit als Al aufweist.
  • Da bei der Ausführungsform 1 das isolierende Substrat mit dem darauf ausgebildeten Schaltungsmuster wie oben beschrieben ist durch die verbindenden Leiter verbunden ist, kann die Strombelastbarkeit der Hauptschaltung stark verbessert werden und der Schaltungswiderstand kann herabgesetzt werden. Ferner ist die geeignete Fläche zum Ermöglichen der Verbindung der Emitterzellen relativ groß und deshalb können die Emitterzellen mit dem Schaltungsmuster mit einem relativ kurzen Abstand zwischen ihnen verbunden werden. Folglich ist die Hitzedezentralisierung auf dem Halbleiterelement verbessert und die Oszillation des Gates aufgrund der Unausgewogenheit der Emitterzellen kann verhindert werden. Zusätzlich können die zum Verbinden der Drähte zu dem Schaltungsmuster erforderlichen Räume verringert werden und folglich kann die Fläche der ebenen Oberflachen der gesamten Vorrichtung herabgesetzt werden. Die Höhe der Vorrichtung ist in Ausführungsform 1 nicht so erhöht, weil die Höhe des Drahts ursprünglich bei der Leistungshalbleitervorrichtung benotigt wird.
  • Ferner kann durch Anbringen von Kühlkorpern auf sowohl der oberen Seite als auch der unteren Seite der Vorrichtung der Warmeabstrahleffekt verbessert werden.
  • Ausfuhrungsform 2
  • 2, die aus den 2(1) bis 2(3) besteht, zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung gemaß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Da die Leistungshalbleitervorrichtung nach der zweiten Ausführungsform im wesentlichen dieselbe ist, wie die der ersten Ausfuhrungsform, wird deren Beschreibung durch Bezeichnen gleicher Komponenten mit dem gleichen Bezugszeichen erspart und folglich wird hauptsächlich der Unterschied dieser Ausführungsform beschrieben. 2(1) zeigt eine Draufsicht von oben eines ersten Substrats; 2(2) eine Ansicht von unten eines zweiten Substrats und 2(3) eine longitudinale Schnittansicht der Vorrichtung, ebenso wie 1.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung nach Ausfuhrungsform 2 weist als das zweite Substrat 26 ein isolierendes Substrat auf, das darauf ein mit verbindenden Vorsprüngen 38 aber nicht den verbindenden Leitern versehenes Schaltungsmuster aufweist. Die verbindenden Vorsprünge 38 bestehen aus einem leitfähigen Material und sind mit der Emitterfläche des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 und der Anodenfläche der Freilaufdiode 8 auf dem ersten Substrat 24 verbunden.
  • Die Ausführungsform 2 stellt die folgenden Vorteile bereit. In Ausführungsform 1 ist es notwendig, dass die verbindenden Leiter mit sowohl dem Halbleiterelement als auch dem isolierenden Substrat mit dem darauf ausgebildeten Schaltungsmuster verbunden werden. Deshalb ist eine größere Anzahl von Schritten erforderlich und es wird erwartet, dass einige Schwierigkeiten auftreten können, je nachdem wie der Fall liegt. Andererseits wird bei der Ausfuhrungsform 2 das isolierende Substrat, das darauf des mit den verbindenden Vorsprüngen versehene Schaltungsmuster aufweist, verwendet, so dass dadurch die Herstellungsschritte erspart werden und auch die Zuverläsigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung verbessert wird.
  • Ausfuhrungsform 3
  • 3, die aus den 3(1) bis 3(3) besteht, zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Da die Leistungshalbleitervorrichtung nach der Ausfuhrungsform 3 im wesentlichen dieselbe wie jene nach der Ausfuhrungsform 1 und der Ausfuhrungsform 2 ist, wird deren Beschreibung durch Bezeichnen gleicher Komponenten mit gleichen Bezugszeichen erspart und folglich wird hauptsächlich der Unterschied dieser Ausführungsform beschrieben. 3(1) zeigt eine Draufsicht von oben eines ersten Substrats; 3(2) eine Unteransicht eines zweiten Substrats und 3(3) eine longitudinale Schnittansicht der Vorrichtung, so wie die 1 und 2.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung nach der in 3 gezeigten Ausführungsform 3 weist ein isolierendes Substrat auf, das wie in Ausfuhrungsform 2 darauf ein mit verbindenden Vorsprüngen versehenes Schaltungsmuster aufweist (d. h. ein zweites Substrat 26), und verwendet auch verbindende Leiter 22. Das heißt, die Emitterfläche des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 und die Anodenfläche der Freilaufdiode 8 auf dem ersten Substrat 24 sind mit dem Schaltungsmuster, das auf dem isolierenden Substrat als das zweite Substrat 26 gebildet ist, durch die leitenden Vorsprünge 38 auf dem Schaltungsmuster und die verbindenden Leiter 22 verbunden.
  • Bei der Ausführungsform 3 kann durch gleichzeitiges Verwenden der verbindenden Vorsprünge und der verbindenden Leiter der Abstand zwischen dem ersten Substrat 24 und dem zweiten Substrat 26, die einander gegenuberliegen, und die für die Verbindung der beiden Substrate erforderliche Fläche unabhängig eingestellt werden. Deshalb kann eine optimale Gestaltung für die Vorrichtung durchgeführt werden, die eine Strombelastbarkeit, eine Hitzemenge und Spannungen berücksichtigt.
  • Ausführungsform 4
  • 4, die aus den 4(1) bis 4(3) besteht, zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung. Da die Leistungshalbleitervorrichtung nach der Ausfuhrungsform 4 im wesentlichen dieselbe wie jene gemäß den Ausfuhrungsformen 1 bis 3 ist, wird deren Beschreibung durch Bezeichnen gleicher Komponenten mit gleichen Bezugszeichen erspart und folglich wird hauptsachlich der Unterschied dieser Ausfuhrungsform beschrieben. 4(1) zeigt eine Draufsicht von oben eines ersten Substrats; 4(2) eine Unteransicht eines zweiten Substrats und 4(3) eine longitudinale Schnittansicht der Vorrichtung, so wie 1.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung nach der in 4 gezeigten Ausführungsform 4 stimmt mit jeder der Ausführungsformen 1 bis 3 überein, außer dass ein leitender Abschnitt auf einem Teil des zweiten Substrats 26 derart ausgebildet ist, dass die Oberflache und die Rückseite des Substrats elektrisch miteinander verbunden sind und dass auf der Rückseite (oder der äußeren Oberflache) des Substrats ein Schaltungsmuster ausgebildet ist. Eine Steuerschaltung 40 (integrierte Schaltung/IC) zum Steuern des Ansteuerns des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 ist auf dem Schaltungsmuster angebracht, dass auf der Rückseite des zweiten Substrats 26 ausgebildet ist.
  • Wie oben angeordnet kann eine Ansteuerungs-Steuereinheit ohne die Notwendigkeit einer separaten Leiterplatte oder von ähnlichem direkt angebracht werden. Deshalb ist die Anzahl von Komponenten herabgesetzt und die Produktivität ist verbessert. Ferner kann durch Anordnen der Ansteuerungs-Steuereinheit in der Nähe des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 die Induktivität herabgesetzt werden. Als ein Ergebnis wird korrektere Steuerung möglich.
  • Ausfuhrungsform 5
  • 5, die aus den 5(1) bis 5(3) besteht, zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung nach der Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung. Da die Leistungshalbleitervorrichtung nach der Ausführungsform 5 im wesentlichen dieselbe wie jene gemäß den Ausführungsformen 1 bis 4 ist, wird deren Beschreibung durch Bezeichnen gleicher Komponenten mit gleichen Bezugszeichen erspart und folglich wird hauptsächlich der Unterschied dieser Ausführungsform beschrieben. 5(1) zeigt eine Draufsicht von oben eines ersten Substrats; 5(2) eine Unteransicht eines zweiten Substrats und 5(3) eine longitudinale Schnittansicht der Vorrichtung, so wie 1.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtung nach der in 5 gezeigten Ausführungsform 5 stimmt mit jeder der Ausführungsformen 1 bis 4 überein, außer dass zumindest das erste Substrat 24 ein keramisches isolierendes Substrat ist und dass ein in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilter Kuhlkörper 32 mit der Ruckseite des keramischen isolierenden Substrats verbunden ist.
  • Mit der obigen Anordnung ist die Wärmeabstrahlungseffizienz verbessert und das Brechen des keramischen Substrats aufgrund von Aufheizen kann verhindert werden, da der Kuhlkörper in die Mehrzahl von Abschnitten unterteilt ist, wodurch eine Spannung verringert wird.
  • Andererseits kann der wie oben unterteilte Kühlkörper integral mit dem ersten Substrat 24 ausgebildet werden. Dadurch kann die Produktivität verbessert werden und ein Ansteigen des thermischen Widerstands an den Verbindungen aufgrund von Leerstellen, Rissen oder ähnlichem kann verhindert werden.
  • Ausführungsform 6
  • Die 7 und 8 zeigen Leistungshalbleitervorrichtungen nach der Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung. 7(1) oder 8(1) zeigt eine Draufsicht von oben eines ersten Anschlussrahmens (später beschrieben); 7(2) oder 8(2) eine Unteransicht eines zweiten Anschlussrahmens (später beschrieben) und 7(3) oder 8(3) eine longitudinale Schnittansicht der Vorrichtung, so wie die 1 bis 5.
  • Diese Leistungshalbleitervorrichtung weist auch ein Schalt-Leistungshalbleiterelement 6 und eine zu dem Schalt-Leistungshalbleiterelement 6 antiparallel geschaltete Freilaufdiode 8 auf. Die beiden Komponenten sind jedoch auf dem Anschlussrahmen (dem ersten Anschlussrahmen 28) angebracht und nicht auf dem isolierenden Substrat. Das heißt, eine ruckseitige Elektrode des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 und eine ruckseitige Elektrode der Freilaufdiode 8 sind auf die Hauptoberflache des ersten Anschlussrahmens 28 gebondet. Gleichzeitig sind eine Oberflachenelektrode des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 und eine Oberflachenelektrode der Freilaufdiode 8 mit Vorsprüngen 38 verbunden, die durch Hervorstehenlassen solcher Teile der Oberfläche des zweiten Anschlussrahmens 30 gebildet sind, die den Oberflachenelektroden des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 und der Freilaufdiode 8 gegenuberliegen. Diese gesamte Struktur ist durch Spritzpressformung eines Harzes geformt.
  • Verglichen mit der Leistungshalbleitervorrichtung nach der Ausführungsform 1 ist die dielektrische Festigkeit der Leistungshalbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform 6 niedriger. Diese Vorrichtung kann jedoch mit niedrigeren Kosten und hoherer Produktivität erzeugt werden, da die Anschlussrahmen verwendet werden, die preiswert sind und einfach geformt werden. Indem aus den Anschlussrahmen externe Anschlüsse gemacht werden, kann ferner die Anzahl der Komponenten herabgesetzt werden und folglich kann die Produktivität verbessert werden.
  • Bei der in 7 gezeigten Leistungshalbleitervorrichtung ist eine Mehrzahl von verbindenden Vorspringen 38 zu einem Element zugehörig bereitgestellt und dadurch kann die Verdrahtung fur das Gate auf der Oberfläche des Elements vermieden werden. Ferner soll solch eine Mehrzahl von verbindenden Vorsprüngen eine Spannung entspannen. Bei der in 8 gezeigten Leistungshalbleitervorrichtung sind die verbindenden Vorsprünge 38 derart ausgebildet, dass sie flache Oberflachen aufweisen, wodurch die verbundene Fläche erhöht ist. Dadurch kann die Konzentration von Strom auf dem Element verhindert werden und die Warmeabstrahlungseffizienz kann verbessert werden.
  • Ausfuhrungsform 7
  • 9, die aus den 9(1) bis 9(3) besteht, zeigt eine Leistungshalbleitervorrichtung gemaß der Ausfuhrungsform 7 der vorliegenden Erfindung. Da die Leistungshalbleitervorrichtung gemaß der Ausfuhrungsform 7 im wesentlichen dieselbe wie die gemaß der Ausfuhrungsform 6 ist, wird deren Beschreibung durch Bezeichnen gleicher Komponenten mit dem gleichen Bezugszeichen erspart und folglich wird hauptsächlich der Unterschied dieser Ausfuhrungsform beschrieben. 9(1) zeigt eine Draufsicht von oben eines ersten Anschlussrahmens, 9(2) eine Unteransicht eines zweiten Anschlussrahmens und 9(3) eine longitudinale Schnittansicht der Vorrichtung, so wie die 7 und 8.
  • Bei der Leistungshalbleitervorrichtung nach der Ausfuhrungsform 7 sind sowohl der erste Anschlussrahmen 28 als auch der zweite Anschlussrahmen 30 in der Form von flachen Platten geformt. Eine Mehrzahl von verbindenden Leitern 22 ist an vorbestimmten Positionen auf die Hauptoberfläche des zweiten Anschlussrahmens 30 gelötet, die dem ersten Anschlussrahmen gegenüberliegt. Der Mehrzahl von verbindenden Leitern ist ermöglicht, dass sie der Oberflächenelektrode des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 und der Oberflächenelektrode der Freilaufdiode 8 entsprechen und an diese angelötet sind. Mit anderen Worten sind der obere und der untere Anschlussrahmen durch die verbindenden Leiter 22 aber nicht durch verbindende Vorsprünge verbunden.
  • Verglichen mit der Ausfuhrungsform 6 ist die Anzahl der Komponenten bei der Leistungshalbleitervorrichtung nach der Ausführungsform 7 erhöht, wahrend die Form und das Material der verbindenden Abschnitte freier gewählt werden kann und deshalb der Schaltungswiderstand herabgesetzt werden kann, und die Zuverlassigkeit der Vorrichtung kann verbessert werden.
  • Bei der Leistungshalbleitervorrichtung gemaß der Ausführungsform 7 kann wie in 10 gezeigt eine Steuerschaltung 40 zum Steuern des Ansteuerns des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 auf der Rückseite des zweiten Anschlussrahmens 30 angebracht werden, dessen Hauptoberfläche dem ersten Anschlussrahmen 28 gegenuberliegt.
  • Ferner kann eine Multischicht-Leiterplatte oder eine Durchkontaktplatte anstelle des zweiten Anschlussrahmens verwendet werden und eine Steuerschaltung zum Steuern des Ansteuerns des Schalt-Leistungshalbleiterelements 6 kann auf solch einer Platte angebracht werden.
  • Durch Anbringen der Steuerschaltung 40 wie oben beschrieben kann eine Ansteuerungs-Steuereinheit direkt ohne die Notwendigkeit einer separaten Leiterplatte angebracht werden. Folglich kann die Anzahl der Komponenten herabgesetzt werden und die Produktivität kann verbessert werden. Ferner kann durch Anordnen der Ansteuerungs-Steuereinheit in der Nahe des Schalt-Leistungshalbleiterelements die Induktivität herabgesetzt werden und folglich kann korrekteres Steuern realisiert werden.
  • Ausführungsform 8
  • Die 11 und 12 zeigen Leistungshalbleitervorrichtungen gemäß der Ausführungsform 8 der vorliegenden Erfindung. 11 besteht aus den 11(1) bis 11(4), wobei 11(1) eine longitudinale Schnittansicht der Vorrichtung zeigt, 11(2) eine Unteransicht eines dritten Anschlussrahmens, 11(3) eine Draufsicht von oben eines zweiten Anschlussrahmens und 11(4) eine Draufsicht von oben eines ersten Anschlussrahmens. 12 besteht aus den 12(1) bis 12(5), wobei 12(1) eine longitudinale Schnittansicht der Vorrichtung zeigt, 12(2) eine Unteransicht eines vierten Anschlussrahmens, 12(3) eine Draufsicht von oben eines dritten Anschlussrahmens, 12(4) eine Unteransicht eines zweiten Anschlussrahmens und 12(5) eine Draufsicht von oben eines ersten Anschlussrahmens.
  • Die in den 11 und 12 gezeigten Leistungshalbleitervorrichtungen sind durch Anwenden irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 7 bereitgestellt und zumindest drei Anschlussrahmen (oder isolierende Substrate) aber nicht zwei Anschlussrahmen werden in jeder dieser Ausführungsformen verwendet.
  • Wenn die Anzahl anzubringender Elemente erhöht wird, wird bei einer konventionellen Leistungshalbleitervorrichtung die Fläche zu deren Anbringung unvermeidbar in zweidimensionalen Richtungen auf einer Ebene ausgebreitet, so dass die Fläche solcher ebenen Abschnitte proportional zu der Anzahl der Elemente erhöht wird. Im Gegensatz können bei dieser Ausfuhrungsform die Komponenten in drei Dimensionsrichtungen angeordnet werden und folglich kann die Fläche der ebenen Abschnitte der Vorrichtung stark herabgesetzt werden. In dieser Hinsicht wird überlegt, dass die Höhe der Vorrichtung umgekehrt proportional zu der verkleinerten Fläche größer wird. Da jedoch bei der herkömmlichen Vorrichtung eine beachtliche Höhe fur Drahtverbindung erforderlich ist, ist die Höhe der Vorrichtung dieser Ausfuhrungsform verglichen mit der Höhe der herkömmlichen Vorrichtung nicht so stark erhöht.
  • Diese Ausfuhrungsform ermöglicht es, nicht nur die ebene Fläche und den Schaltungswiderstand zu reduzieren, sondern auch den folgenden Effekt bereitzustellen. In dem Fall, in dem diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Invertiererschaltung aufweist, ist es möglich, einen Arm drei Anschlussrahmen verwendend zu bilden, und folglich wird ein separater Abschnitt gemeinsamen elektrischen Potentials nicht benotigt. Ferner ist durch die Uberschichtung die Induktivität herabgesetzt und dadurch kann ein plotzlicher Anstieg im Strom oder in der Spannung effektiv verhindert werden.
  • Speziell bei der in 11 gezeigten Vorrichtung liegen die Hauptstrompfade einander gegenüber und folglich kann die Induktivitat herabgesetzt werden. Bei der in 12 gezeigten Vorrichtung sind die Elemente in der Nähe der Warmeabstrahlabschnitte angeordnet und folglich kann Wärme effektiv von der Vorrichtung abgestrahlt werden.

Claims (15)

  1. Leistungshalbleitervorrichtung mit: einem Schalt-Leistungshalbleiterelement (6); einer zu dem Schalt-Leistungshalbleiterelement (6) antiparallel geschalteten Freilaufdiode (8); einem ersten Substrat (24), wobei auf einer Hauptoberfläche von diesem eine rückseitige Elektrode des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und eine rückseitige Elektrode der Freilaufdiode (8) mit ihm verbunden und angebracht sind; einem einer Oberflächenelektrode des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und einer Oberflächenelektrode der Freilaufdiode (8) gegenüberliegenden zweiten Substrat (26); und verbindenden Leitern (22), die derart gebildet sind, dass sie das zweite Substrat (26) mit den Oberflächenelektroden des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und von der Freilaufdiode (8) verbinden, wobei die verbindenden Leiter (22) durch Lot mit den Oberflächenelektroden des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und von der Freilaufdiode (8) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede der berührenden Oberflächen der verbindenden Leiter (22) eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
  2. Leistungshalbleitervorrichtung mit: einem Schalt-Leistungshalbleiterelement (6); einer zu dem Schalt-Leistungshalbleiterelement (6) antiparallel geschalteten Freilaufdiode (8); einem ersten Substrat (24), wobei auf einer Hauptoberfläche von diesem eine rückseitige Elektrode des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und eine rückseitige Elektrode der Freilaufdiode (8) mit ihm verbunden und angebracht sind; einem einer Oberflächenelektrode des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und einer Oberflächenelektrode der Freilaufdiode (8) gegenüberliegenden zweiten Substrat (26); und verbindenden Leitern (22), die derart gebildet sind, dass sie das zweite Substrat (26) mit den Oberflächenelektroden des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und von der Freilaufdiode (8) verbinden, wobei die verbindenden Leiter (22) durch Lot mit den Oberflächenelektroden des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) und von der Freilaufdiode (8) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die verbindenden Leiter (22) Vorsprünge (38) sind, die durch hervorstehende Abschnitte des zweiten Substrats (26) gebildet sind.
  3. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein IC (40) zum Steuern des Ansteuerns des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) auf der Rückseite des zweiten Substrats (26) angebracht ist, dessen Oberfläche dem ersten Substrat (24) gegenüberliegt.
  4. Leistungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der zumindest das erste Substrat (24) ein keramisches isolierendes Substrat ist, auf dessen Hauptoberfläche ein Schaltungsmuster gebildet ist, und ein in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilter Kühlkörper (32) mit der Rückseite des keramischen Substrats verbunden ist.
  5. Leistungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der zumindest das erste Substrat (24) ein keramisches isolierendes Substrat ist, auf dessen Hauptoberfläche ein Schaltungsmuster gebildet ist, und ein Abschnitt, der derart geformt ist, sodass er als ein Kühlkörper (32) wirkt, auf der Rückseite des keramischen Substrats ausgebildet ist.
  6. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 4, bei der, wenn ein Ende eines externen Anschlusses an das Substrat gelötet ist, all solches Löten auf dem auf der Hauptoberfläche des ersten Substrats (24) gebildeten Schaltungsmuster durchgeführt ist.
  7. Leistungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der ein isolierendes und hitzebeständiges Füllmittel (36) zwischen dem ersten Substrat (24) und dem zweiten Substrat (26) eingefügt ist.
  8. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 7, bei der ein wärmeaushärtbares Harz als das isolierende und hitzebeständige Füllmittel (36) injiziert ist.
  9. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 7, bei der das isolierende und hitzebeständige Füllmittel (36) gel-artig ist.
  10. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 7, bei der ein erstes schnurartiges Unterteilungsmaterial U-förmig in der Nähe von und entlang der äußeren peripheren Kanten des ersten Substrats (24) und des zweiten Substrats (26) verlegt ist und mit dem ersten Substrat (24) und dem zweiten Substrat (26) verbunden ist; das gel-artige hitzebeständige Füllmittel von einer Öffnung des U-förmigen Unterteilungsmaterials aus eingefügt ist; und ein zweites Unterteilungsmaterial auf der Öffnung angeordnet ist und mit dem ersten Substrat (24) und dem zweiten Substrat (26) verbunden ist, sodass dadurch das isolierende und hitzebeständige Füllmittel (36) versiegelt und eingedämmt ist.
  11. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, bei der die verbindenden Leiter (22) bei der zusammengesetzten Vorrichtung Flexibilität aufweisen.
  12. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der das erste Substrat (24) ein erster Anschlussrahmen (28) ist, der in Form einer flachen Platte geformt ist, und das zweite Substrat (26) ein zweiter Anschlussrahmen (30) ist, der in Form einer flachen Platte geformt ist.
  13. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 12, bei der ein IC (40) zum Steuern des Ansteuerns des Schalt-Leistungshalbleiterelements (6) auf der Rückseite des zweiten Anschlussrahmens (30) angebracht ist, dessen Oberfläche dem ersten Anschlussrahmen (28) gegenüberliegt.
  14. Leistungshalbleitervorrichtung nach Anspruch 13, bei der eine Multischicht-Leiterplatte oder eine Durchkontakt-Platte anstelle des zweiten Anschlussrahmens (30) verwendet ist und der IC (40) zum Steuern des Ansteuerns auf der Platte angebracht ist.
  15. Leistungshalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der zumindest drei Substrate beinhaltet sind.
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